RU2356133C2 - Water distribution control in fuel cells - Google Patents

Water distribution control in fuel cells Download PDF

Info

Publication number
RU2356133C2
RU2356133C2 RU2006127407/09A RU2006127407A RU2356133C2 RU 2356133 C2 RU2356133 C2 RU 2356133C2 RU 2006127407/09 A RU2006127407/09 A RU 2006127407/09A RU 2006127407 A RU2006127407 A RU 2006127407A RU 2356133 C2 RU2356133 C2 RU 2356133C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
battery
fuel cell
cathode
liquid phase
Prior art date
Application number
RU2006127407/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006127407A (en
Inventor
Джереми Стивен МЭТЧЕМ (GB)
Джереми Стивен МЭТЧЕМ
Нэйтан ГРЕЙНДЖ (GB)
Нэйтан ГРЕЙНДЖ
Пол Алан БЕНСОН (GB)
Пол Алан БЕНСОН
Скотт БАЙРД (GB)
Скотт БАЙРД
Эшли КЕЛЛЗ (GB)
Эшли КЕЛЛЗ
Джонатан КОУЛ (GB)
Джонатан КОУЛ
Пол ЭДКОК (GB)
Пол ЭДКОК
Питер Дейвид ХУД (GB)
Питер Дейвид ХУД
Саймон Эдвард ФОСТЕР (GB)
Саймон Эдвард ФОСТЕР
Original Assignee
Интелиджент Энерджи Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Интелиджент Энерджи Лимитед filed Critical Интелиджент Энерджи Лимитед
Publication of RU2006127407A publication Critical patent/RU2006127407A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2356133C2 publication Critical patent/RU2356133C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/0435Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04544Voltage
    • H01M8/04559Voltage of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04574Current
    • H01M8/04589Current of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04753Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828Humidity; Water content
    • H01M8/04835Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029Heat exchange using liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • H01M8/04134Humidifying by coolants
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention relates to electrochemical fuel cells with solid polymeric electrolyte. According to the invention fuel cell comprises anode, ion-exchange membrane and cathode, performed with liquid phase water supply to flow-through grooves for fluid medium formed in cathode so that 100% relative humidity is supported along the whole length of grooves. Invention suggests gaging method and facilities for determination of optimum quantity or quantity interval for liquid phase water which is to be supplied to cathode flow-through grooves for fluid medium when operation conditions change. Also mode of operation and facilities are suggested that provide optimum liquid phase water quantity supply to cathode flow-through grooves for fluid medium when operation conditions are measured.
EFFECT: improvement of fuel cell battery operation.
22 cl, 16 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к электрохимическим топливным элементам, в частности к топливным элементам из твердого полимерного электролита, которые превращают топливо и окислитель в электрическую энергию и продукт реакции.The present invention relates to electrochemical fuel cells, in particular to solid polymer electrolyte fuel cells, which convert a fuel and an oxidizing agent into electrical energy and a reaction product.

На фиг.1 представлена типичная компоновка топливного элемента 10, причем для ясности данный чертеж демонстрирует различные слои конструкции топливного элемента в разобщенном виде. Между анодом 12 и катодом 13 расположена ионообменная мембрана 11 из твердого полимера. Как правило, анод 12 и катод 13, оба, изготовлены из электропроводного пористого материала, например пористого углерода, к которому прикреплены небольшие частицы платины и/или другого катализатора из благородного металла. Анод 12 и катод 13 обычно присоединены непосредственно к соответствующим примыкающим поверхностям мембраны 11. Такое соединение компонент топливного элемента обычно называют мембраноэлектродной сборкой или, сокращенно, МЭС.Figure 1 presents a typical layout of the fuel cell 10, and for clarity, this drawing shows the various layers of the construction of the fuel cell in a disassembled form. Between the anode 12 and the cathode 13 is an ion-exchange membrane 11 of a solid polymer. Typically, the anode 12 and cathode 13 are both made of an electrically conductive porous material, for example porous carbon, to which small particles of platinum and / or another precious metal catalyst are attached. The anode 12 and cathode 13 are usually attached directly to the respective adjacent surfaces of the membrane 11. Such a connection of the components of the fuel cell is usually called the membrane electrode assembly, or, abbreviated as MES.

Полимерная мембрана и слои пористых электродов размещены между анодной пластиной 14 для распределения потока текучей среды и катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды. Кроме того, между анодной пластиной 14 для распределения текучей среды и анодом 12 и аналогичным образом между катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды и катодом 13 могут быть размещены промежуточные защитные слои 12а и 13а. Защитные слои имеют пористую структуру и изготовлены так, что они обеспечивают эффективную диффузию газа к поверхностям анода и катода и от этих поверхностей, а также способствуют управлению распределением паров воды и жидкой фазы воды.A polymer membrane and layers of porous electrodes are placed between the anode plate 14 to distribute the fluid flow and the cathode plate 15 to distribute the fluid flow. In addition, intermediate protective layers 12a and 13a can be placed between the anode plate 14 for distributing the fluid and the anode 12 and similarly between the cathode plate 15 for distributing the fluid flow and the cathode 13. The protective layers have a porous structure and are made so that they provide effective diffusion of gas to and from the surfaces of the anode and cathode, and also help control the distribution of water vapor and the liquid phase of water.

Пластины 14 и 15 для распределения потока текучей среды выполнены из электропроводного непористого материала, за счет чего может быть осуществлен электрический контакт с соответствующими электродами, анодом 12 или катодом 13. В то же самое время пластины для распределения потока текучей среды должны способствовать подводу к пористым электродам и/или отводу от них топлива, окислителя и/или продукта реакции. Обычно это осуществляют путем формирования проходов для потока текучей среды на поверхности пластин для распределения потока текучей среды, например в виде пазов или канавок 16 на поверхности, обращенной к пористым электродам 12, 13.The fluid distribution plates 14 and 15 are made of an electrically conductive non-porous material, whereby electrical contact can be made with the respective electrodes, the anode 12 or the cathode 13. At the same time, the plates for distributing the fluid flow should facilitate the passage to the porous electrodes and / or removal of fuel, oxidizing agent and / or reaction product from them. This is usually accomplished by forming passages for the fluid flow on the surface of the plates to distribute the fluid flow, for example in the form of grooves or grooves 16 on the surface facing the porous electrodes 12, 13.

Кроме того, на фиг.2(а) показана одна известная конфигурация канавки для потока текучей среды, которая образует извилистую (змеевидную) структуру 20 на поверхности анода 14 (или катода 15), имеющую входной коллектор 21 и выходной коллектор 22, как это показано на фиг.2(а). В соответствии с известной конструкцией змеевидная структура 20 представляет собой канавку 16 на поверхности пластины 14 (или 15), в то же время каждый из коллекторов 21 и 22 включает проходящее сквозь пластину отверстие так, чтобы текучая среда, подводимая к канавке 16 или отводимая из нее, могла проходить через толщину пакета пластин в направлении, перпендикулярном пластине, указанном стрелкой на фиг.2(b), на которой изображен поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.2(а).In addition, FIG. 2 (a) shows one known configuration of a fluid flow groove that forms a tortuous (serpentine) structure 20 on the surface of the anode 14 (or cathode 15) having an input manifold 21 and an output manifold 22, as shown figure 2 (a). According to the known construction, the serpentine structure 20 is a groove 16 on the surface of the plate 14 (or 15), at the same time, each of the manifolds 21 and 22 includes a hole passing through the plate so that the fluid supplied to or withdrawn from the groove 16 , could pass through the thickness of the plate pack in the direction perpendicular to the plate indicated by the arrow in FIG. 2 (b), which shows a cross section along line AA shown in FIG. 2 (a).

Могут быть выполнены также другие отверстия 23, 25 коллекторов, обеспечивающие подвод топлива, окислителя, других текучих сред или отработанных газов в другие канавки, имеющиеся в пластинах (не показано).Other openings 23, 25 of the manifolds may also be provided to allow fuel, oxidizer, other fluids, or exhaust gases to enter other grooves in the plates (not shown).

Канавки 16 в пластинах 14, 15 для распределения потока текучей среды могут быть выполнены открытыми на обоих концах, т.е. эти канавки, проходящие, как показано, между входным коллектором 21 и выходным коллектором 22, обеспечивающие непрерывное прохождение потока текучей среды, обычно используют для подачи окислителя и отвода продукта реакции. В качестве альтернативы канавки 16 могут быть закрыты на одном конце, т.е. каждая канавка имеет сообщение только с входным коллектором 21 для подачи текучей среды в расчете на полную 100%-ную передачу газообразного вещества в пористые электроды МЭС или из них. Закрытая таким образом канавка может быть использована для подачи водородного топлива к элементам 11-13 МЭС конструкции гребенчатого типа.The grooves 16 in the fluid distribution plates 14, 15 can be made open at both ends, i.e. these grooves, passing, as shown, between the inlet manifold 21 and the outlet manifold 22, providing a continuous flow of the fluid, are usually used to supply the oxidizing agent and discharge the reaction product. Alternatively, the grooves 16 may be closed at one end, i.e. each groove is in communication only with the inlet manifold 21 for supplying a fluid based on the full 100% transfer of gaseous matter to or from the porous electrodes of the MES. The groove thus closed can be used to supply hydrogen fuel to the comb-type design elements 11-13 of the MES.

На фиг.3 показан поперечный разрез части пакета пластин, образующих обычную сборную конструкцию 30 топливного элемента. В этой конструкции соседние анодная и катодная пластины для распределения потока текучей среды объединены известным образом с образованием единой биполярной пластины 31, имеющей анодные канавки 32 на одной поверхности и катодные канавки 33 на противоположной поверхности, причем каждая из этих поверхностей примыкает к соответствующей мембраноэлектродной сборке (МЭС) 34. Все отверстия 21 входного коллектора и отверстия 22 выходного коллектора совмещены для образования входного и выходного коллекторов для всей батареи топливных элементов. Различные компоненты батареи топливных элементов на чертеже показаны слегка отделенными друг от друга, хотя понятно, что при необходимости они будут прижаты друг к другу с помощью уплотнительных прокладок.FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion of a stack of plates forming a conventional fuel cell assembly 30. In this design, the adjacent anode and cathode plates for distributing the fluid flow are combined in a known manner to form a single bipolar plate 31 having anode grooves 32 on one surface and cathode grooves 33 on the opposite surface, each of which adjacent to the corresponding membrane-electrode assembly (MES) ) 34. All openings 21 of the inlet manifold and openings 22 of the outlet manifold are combined to form the inlet and outlet manifolds for the entire fuel cell battery. The various components of the fuel cell battery in the drawing are shown slightly separated from each other, although it is clear that, if necessary, they will be pressed against each other using gaskets.

Для достижения высокой эффективности и длительности энергоснабжения от топливного элемента, главным образом, необходимо поддерживать высокое влагосодержание внутри мембраноэлектродной сборки и, в частности, внутри мембраны.To achieve high efficiency and duration of energy supply from the fuel cell, it is mainly necessary to maintain a high moisture content inside the membrane-electrode assembly and, in particular, inside the membrane.

В уровне техники это обычно достигается посредством увлажнения подводимых газов, а именно топлива, воздуха или обоих, поступающих через коллекторы 21, 22 или 23 и по канавкам 16. Иначе говоря, в канавки 16 подают воду в паровой фазе (далее - "паровая фаза воды"). Это, кроме того, может способствовать, в некоторой ограниченной степени, распределению тепловых потоков внутри блока топливного элемента.In the prior art, this is usually achieved by humidifying the supplied gases, namely fuel, air, or both, coming through the collectors 21, 22 or 23 and through the grooves 16. In other words, water is supplied to the grooves 16 in the vapor phase (hereinafter referred to as the "vapor phase of water "). This, in addition, can contribute, to a limited extent, to the distribution of heat fluxes within the fuel cell unit.

Другой способ заключается в подводе воды в жидкой фазе (далее - "жидкая фаза воды") непосредственно к мембране 11, 34, например непосредственно к поверхностям электрода или в канавки 16 биполярных пластин 31. Преимущество такого способа заключается не только в обеспечении количества воды, необходимого для поддерживания ее высокого содержания в мембране, но также и в возможности значительного охлаждения топливного элемента за счет испарения и выделения скрытой теплоты парообразования. Подробно способ подвода жидкой фазы воды непосредственно к поверхностям электрода или в канавки 16 раскрыт в международной заявке PCT/GB03/02973 (на дату подачи данной заявки не опубликована). Поэтому в данном описании там, где это имеет отношение к раскрытию изобретения, воспроизведены релевантные части указанного патентного документа.Another method is to supply water in a liquid phase (hereinafter - the "liquid phase of water") directly to the membrane 11, 34, for example directly to the surfaces of the electrode or into the grooves 16 of the bipolar plates 31. The advantage of this method is not only the amount of water required to maintain its high content in the membrane, but also in the possibility of significant cooling of the fuel cell due to evaporation and the release of latent heat of vaporization. In detail, a method for supplying a liquid phase of water directly to the surfaces of an electrode or into grooves 16 is disclosed in international application PCT / GB03 / 02973 (not published at the filing date of this application). Therefore, in this description, where it relates to the disclosure of the invention, the relevant parts of said patent document are reproduced.

Такой способ непосредственного удаления тепла, который обеспечивает вывод тепловой энергии с помощью выходящего газового потока, имеет явное преимущество, связанное с возможностью исключения из батареи топливных элементов пластин охлаждения.This method of direct removal of heat, which provides the removal of thermal energy by means of the outgoing gas stream, has a clear advantage associated with the possibility of excluding cooling plates from the battery of fuel cells.

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и устройства, позволяющих улучшить работу батареи топливных элементов с испарительным охлаждением посредством ввода избыточного количества воды в канавки 16 катодного электрода.An object of the present invention is to provide a method and apparatus for improving the operation of an evaporative-cooled fuel cell battery by introducing excess water into the grooves 16 of the cathode electrode.

В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение касается способа работы электрохимического топливного элемента, содержащего анод, ионообменную мембрану и катод, включающего стадииIn accordance with one aspect, the present invention relates to a method for operating an electrochemical fuel cell comprising an anode, an ion exchange membrane and a cathode, comprising the steps of

подвода текучего топлива в проточные канавки для текучей среды, выполненные в аноде;the supply of fluid fuel in the flow grooves for the fluid, made in the anode;

подачу текучего окислителя в проточные канавки для текучей среды, выполненные в катоде;supplying a fluid oxidizing agent to the fluid flow grooves made in the cathode;

отвод побочных продуктов реакции и неиспользованного окислителя из проточных канавок для текучей среды, выполненных в катоде; иremoval of reaction by-products and unused oxidizing agent from fluid flow grooves made in the cathode; and

подачу достаточного количества жидкой фазы воды в проточные канавки для текучей среды внутри катода так, чтобы по существу на всем протяжении канавок для текучей среды поддерживалась относительная влажность 100%.supplying a sufficient amount of a liquid phase of water to the flow grooves for the fluid inside the cathode so that a relative humidity of 100% is maintained substantially along the entire length of the grooves for the fluid.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение касается системы с электрохимическим топливным элементом, содержащейIn accordance with another aspect, the present invention relates to an electrochemical fuel cell system comprising

по меньшей мере, одну анодную пластину для распределения потока текучей среды, в которой имеются проточные канавки для текучей среды,at least one anode plate for distributing a fluid flow, in which there are flow grooves for the fluid,

по меньшей мере, одну ионообменную мембрану,at least one ion exchange membrane

по меньшей мере, одну катодную пластину для распределения потока текучей среды, в которой имеются проточные канавки для текучей среды,at least one cathode plate for distributing a fluid flow, in which there are flow grooves for the fluid,

средства для подачи текучего топлива в анодные проточные канавки для текучей среды,means for supplying fluid fuel to the anode flow grooves for the fluid,

средства для подачи текучего окислителя в катодные проточные канавки для текучей среды,means for supplying a fluid oxidizing agent to the cathode flow grooves for the fluid,

средства ввода воды для подачи достаточного количества жидкой фазы воды в проточные канавки для текучей среды, выполненные в катоде, так, чтобы по существу на всем протяжении канавок для текучей среды при нормальных условиях работы топливного элемента поддерживалась относительная влажность 100%.means for introducing water to supply a sufficient amount of a liquid phase of water to the flow grooves for the fluid made in the cathode, so that essentially 100% relative humidity is maintained throughout the length of the grooves for the fluid under normal operating conditions of the fuel cell.

Примеры осуществления настоящего изобретения будут раскрыты в нижеследующем описании с помощью примера и со ссылками на сопровождающие чертежи.Exemplary embodiments of the present invention will be disclosed in the following description by way of example and with reference to the accompanying drawings.

Фиг.1 - схематический поперечный разрез части известного топливного элемента.Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a portion of a known fuel cell.

Фиг.2(а) и 2(b) - пластины топливного элемента, показанного на фиг.1, предназначенные для распределения потока текучей среды, схематический вид в плане и вид в разрезе.FIGS. 2 (a) and 2 (b) are plates of the fuel cell shown in FIG. 1 for distributing a fluid flow, a schematic plan view and a sectional view.

Фиг.3 - известная батарея топливных элементов с биполярными пластинами, поперечный разрез.Figure 3 is a known fuel cell battery with bipolar plates, cross section.

Фиг.4(а) - пластина для распределения потока текучей среды топливного элемента, выполненная со змеевидным каналом для потока текучей среды, вид в плане, демонстрирующий расположение контуров фольги для распределения воды и защитной фольги.Figure 4 (a) is a plate for distributing a fluid flow of a fuel cell made with a serpentine channel for a fluid flow, a plan view showing the location of the contours of the foil for the distribution of water and the protective foil.

Фиг.4(b) - пластина для распределения потока текучей среды топливного элемента, выполненная со встречно-гребенчатой структурой канала для потока текучей среды, вид в плане, демонстрирующий расположение контуров фольги для распределения воды и защитной фольги.Fig. 4 (b) is a plate for distributing a fluid flow of a fuel cell made with a counter-comb structure of a channel for a fluid flow, a plan view showing the arrangement of the contours of the foil for the distribution of water and the protective foil.

Фиг.5 - фольга для распределения воды, вид в плане.5 is a foil for the distribution of water, a plan view.

Фиг.6 - пластина для распределения потока текучей среды, фольга для распределения воды и покрывающая фольга, в соответствии с фиг.4 и фиг.5, поперечный разрез.6 is a plate for distributing a fluid flow, a foil for distributing water and a covering foil, in accordance with figure 4 and figure 5, a cross section.

Фиг.7 - часть сборной конструкции, показанной на фиг.6, вид в перспективе.Fig.7 is a part of the prefabricated structure shown in Fig.6, a perspective view.

Фиг.8 - пластина для распределения потока текучей среды с обращенным взаимным расположением фольги для распределения воды и покрывающей фольги, поперечный разрез.Fig. 8 is a transverse sectional view of a plate for distributing a fluid flow with a reversed mutual arrangement of foil for distributing water and a coating foil.

Фиг.9 - схематический вид в плане точек ввода воды для канавок встречно-гребенчатой структуры.Fig.9 is a schematic view in plan of the points of entry of water for the grooves of the anti-comb structure.

Фиг.10 - схема, иллюстрирующая принципы водяного охлаждения катода топливного элемента.10 is a diagram illustrating the principles of water cooling of a cathode of a fuel cell.

Фиг.11 - график, иллюстрирующий изменение массы паровой фазы воды, отнесенной к единице массы воздуха, в зависимости от температуры для условий полного насыщения, т.е. при относительной влажности, равной 100%.11 is a graph illustrating the change in mass of the vapor phase of water, referred to a unit mass of air, depending on temperature for full saturation conditions, i.e. at a relative humidity of 100%.

Фиг.12 - график, иллюстрирующий изменение напряжения батареи топливных элементов в зависимости от расхода жидкой фазы воды, подводимой к катоду.12 is a graph illustrating a change in voltage of a fuel cell battery depending on a flow rate of a liquid phase of water supplied to a cathode.

Фиг.13 - графическая зависимость, иллюстрирующая теоретический минимальный расход воды в зависимости от тока батареи топливных элементов.13 is a graphical dependence illustrating a theoretical minimum water flow rate as a function of the current of a fuel cell battery.

Фиг.14 - блок-схема системы с батареей топливных элементов, включающей в себя систему управления подводом воды.Fig. 14 is a block diagram of a system with a fuel cell battery including a water supply control system.

В процессе функционирования сборной батареи 30 топливных элементов в ней вследствие электрохимических и электрических потерь выделяется теплота. В одном примере исполнения топливного элемента 10 с испарительным охлаждением, входящего в состав батареи, схематически показанного на фиг.10, эта теплота отводится благодаря тому, что температура отводимых отработанных продуктов 100, 101 превышает входную температуру реагентов 102, 103, и за счет испарения жидкой фазы воды 104, подводимой к катоду 13 и испаренной в воздушном потоке 103, поступающем в катод. Установлено, что при всех уровнях выработки энергии, за исключением самых низких, испарительное охлаждение является преобладающим механизмом отвода теплоты.During the operation of the assembled battery 30 of fuel cells, heat is generated in it due to electrochemical and electrical losses. In one exemplary embodiment of the evaporative cooling fuel cell 10 included in the battery shown schematically in FIG. 10, this heat is removed due to the temperature of the waste products 100, 101 being higher than the inlet temperature of the reactants 102, 103, and due to the evaporation of liquid phase of water 104 supplied to the cathode 13 and evaporated in the air stream 103 entering the cathode. It has been established that at all levels of energy generation, with the exception of the lowest, evaporative cooling is the predominant mechanism of heat removal.

Жидкая фаза воды 104 будет испаряться, если парциальное давление паровой фазы воды в воздушном потоке, проходящем через катод, будет достаточно низким, т.е. испарение будет происходить в таких условиях, когда относительная влажность составляет менее 100% и осуществляется подвод теплоты для испарения жидкой фазы воды. Как только локальные условия становятся такими, что относительная влажность воды составляет 100%, т.е. воздух насыщен парами воды, дальнейшего испарения не будет происходить до тех пор, пока не будет выполняться одно из трех следующих условий: (i) расход воздуха увеличивают таким образом, чтобы парциальное давление паровой фазы воды уменьшалось по обратно пропорциональной зависимости, (ii) полное давление уменьшается так, чтобы пропорционально понижалось парциальное давление паровой фазы воды, (iii) локальная температура возрастает, что приводит к смещению точки термодинамического равновесия, и в результате испарение может происходить еще до тех пор, пока воздух не станет полностью насыщен влагой.The liquid phase of water 104 will evaporate if the partial pressure of the vapor phase of water in the air stream passing through the cathode is sufficiently low, i.e. evaporation will occur in such conditions when the relative humidity is less than 100% and heat is supplied to evaporate the liquid phase of water. As soon as local conditions become such that the relative humidity of the water is 100%, i.e. the air is saturated with water vapor, further evaporation will not occur until one of the following three conditions is met: (i) the air flow rate is increased so that the partial pressure of the vapor phase of the water decreases inversely proportional, (ii) the total pressure decreases so that the partial pressure of the vapor phase of the water decreases proportionally, (iii) the local temperature increases, which leads to a shift in the point of thermodynamic equilibrium, and as a result, evaporation can occur for another until air is completely saturated with moisture.

Таким образом, для топливного элемента 10, функционирующего в условиях избытка воды в каждой точке катода 13 в батарее 30 топливных элементов, а также при постоянном давлении и постоянном расходе воздуха на катоде условия локального равновесия таковы, что воздух полностью насыщен парами воды, и любой дополнительный отвод теплоты посредством испарения может быть осуществлен только за счет повышения локальной температуры.Thus, for a fuel cell 10 operating under excess water at each point of the cathode 13 in the battery 30 of fuel cells, as well as at a constant pressure and constant air flow at the cathode, the conditions of local equilibrium are such that the air is completely saturated with water vapor, and any additional heat removal through evaporation can be carried out only by increasing the local temperature.

Реальное увеличение температуры для осуществления процесса испарения и, следовательно, охлаждения топливного элемента зависит от чувствительности точки равновесия испарения при преобладающих рабочих условиях и необходимой степени охлаждения. Фиг.11 качественно иллюстрирует изменение массы паровой фазы воды, отнесенной к единице массы воздуха, при изменении температуры для условий полного насыщения, т.е. в условиях 100%-ной относительной влажности и постоянства общего давления. Таким образом, рабочая температура батареи в значительной степени определяется интенсивностью испарения, необходимой для реализации процесса охлаждения, общим давлением и массовым расходом потока воздуха на катоде.The actual increase in temperature for the implementation of the evaporation process and, consequently, the cooling of the fuel cell depends on the sensitivity of the evaporation equilibrium point under the prevailing operating conditions and the required degree of cooling. 11 qualitatively illustrates the change in mass of the vapor phase of water, referred to a unit mass of air, with a change in temperature for conditions of complete saturation, i.e. in conditions of 100% relative humidity and constant total pressure. Thus, the operating temperature of the battery is largely determined by the evaporation rate necessary for the implementation of the cooling process, the total pressure and the mass flow rate of the air flow at the cathode.

Как показано на фиг.11, при более высокой температуре небольшой рост температуры ΔТ приводит к значительному возрастанию Δm, т.е. массы паровой фазы воды, которая может содержаться в потоке воздуха, и, следовательно, к увеличению массы испаренной воды, что может происходить в результате выделения теплоты внутри топливной батареи. В результате температура топливной батареи в широкой области тепловых нагрузок будет оставаться приблизительно постоянной как в целом (т.е. в зависимости от изменения общей энергии топливной батареи), так и локально (за счет изменений величины локального тепловыделения вследствие неравномерности температуры внутри батареи при данной общей мощности батареи). Это обуславливает высокую степень неявного регулирования при рабочих температурах батареи и приводит к хорошему тепловому балансу, поддерживаемому по всей батарее.As shown in FIG. 11, at a higher temperature, a small increase in temperature ΔT leads to a significant increase in Δm, i.e. mass of the vapor phase of water, which may be contained in the air stream, and, consequently, to an increase in the mass of evaporated water, which may occur as a result of heat generation inside the fuel battery. As a result, the temperature of the fuel battery over a wide range of heat loads will remain approximately constant both as a whole (i.e., depending on the change in the total energy of the fuel battery) and locally (due to changes in the local heat generation due to the non-uniform temperature inside the battery at this total battery power). This leads to a high degree of implicit regulation at the operating temperatures of the battery and leads to a good thermal balance maintained throughout the battery.

Кроме того, наличие избытка воды в отдельных канавках 16 или проточных каналах сборной конструкции батареи 30 топливных элементов позволяет осуществлять косвенное регулирование расхода воздуха в каждом канале нижеследующим образом. Если в определенном канале расход воздуха превышает среднюю величину расхода, то в этом случае с целью дополнительного охлаждения, если оно необходимо, в поток воздуха может быть испарено дополнительное количество воды. Это приводит к повышению объемного расхода на выходе из проточного канала выше среднего уровня, что в условиях одинакового перепада давления по всем проточным каналам ограничивает расход воздуха в канале топливного элемента, обеспечивая неявное регулирование расхода воздуха с улучшением теплового баланса батареи и, следовательно, улучшением баланса напряжения в топливных элементах батареи. Одинаковый перепад давления по всем канавкам 16 обычно достигается за счет выбора соотношения размеров коллекторов 21, 22 и канавок 16.In addition, the presence of excess water in the individual grooves 16 or flow channels of the prefabricated design of the battery 30 of the fuel cells allows for indirect control of air flow in each channel in the following way. If in a certain channel the air flow exceeds the average flow rate, then in this case, for the purpose of additional cooling, if necessary, additional water can be evaporated into the air flow. This leads to an increase in the volumetric flow rate at the outlet of the flow channel above the average level, which, under the conditions of the same pressure drop across all flow channels, limits the air flow in the fuel cell channel, providing implicit air flow control with improving the thermal balance of the battery and, therefore, improving the voltage balance in the fuel cells of a battery. The same pressure drop across all grooves 16 is usually achieved by choosing the ratio of the sizes of the manifolds 21, 22 and grooves 16.

Косвенное регулирование температуры батареи может быть реализовано, если это необходимо, путем уменьшения расхода воздуха, подводимого к катоду, и/или путем изменения общего давления подводимого к катоду потока воздуха. Другими словами, с этой целью может быть увеличен расход воздуха, что приводит к снижению парциального давления водяного пара за счет увеличения общего объема воздуха, в который может испаряться вода. Следовательно, может быть испарено добавочное количество воды до достижения состояния насыщения, что обеспечивает дополнительное охлаждение и приводит к снижению рабочей температуры топливной батареи.Indirect control of the battery temperature can be implemented, if necessary, by reducing the air flow supplied to the cathode, and / or by changing the total pressure of the air flow supplied to the cathode. In other words, air flow can be increased for this purpose, which leads to a decrease in the partial pressure of water vapor by increasing the total volume of air into which water can evaporate. Therefore, additional water can be evaporated until saturation is achieved, which provides additional cooling and reduces the operating temperature of the fuel battery.

В качестве альтернативы или дополнительно может быть уменьшено выходное давление. За счет снижения общего давления будет уменьшаться парциальное давление водяного пара. Это вызывает смещение точки термодинамического равновесия так, что до наступления состояния насыщения может быть испарено дополнительное количество воды, создавая тем самым дополнительное охлаждение и приводя к снижению рабочей температуры батареи.Alternatively or additionally, the outlet pressure may be reduced. By reducing the total pressure, the partial pressure of water vapor will decrease. This causes a shift in the point of thermodynamic equilibrium so that an additional amount of water can be evaporated before the saturation state occurs, thereby creating additional cooling and leading to a decrease in the operating temperature of the battery.

Другие параметры, такие, как расход текучих сред на аноде, входная температура топлива и окислителя, поверхностные утечки и т.д., как было установлено, являются менее важными.Other parameters, such as the flow rate of the fluid at the anode, the inlet temperature of the fuel and oxidizer, surface leakage, etc., have been found to be less important.

В предпочтительном воплощении системы, преимущественно не находящейся под давлением, типичная рабочая температура батареи топливных элементов составляет от 70 до 80°С. Однако, в принципе, эта температура может изменяться в интервале от 65 до 95°С за счет регулирования расхода воздуха и/или полного давления потока воздуха на аноде. При низких уровнях мощности, когда испарительное охлаждение не является доминирующим процессом, рабочая температура батареи может быть значительно более низкой. Функционирование системы при более высоких или более низких давлениях позволяет значительно изменять границы интервалов температур, указанных выше.In a preferred embodiment of the system, which is preferably not under pressure, a typical operating temperature of a fuel cell stack is from 70 to 80 ° C. However, in principle, this temperature can vary in the range from 65 to 95 ° C due to the regulation of air flow and / or the total pressure of the air flow at the anode. At low power levels, when evaporative cooling is not the dominant process, the operating temperature of the battery can be significantly lower. The functioning of the system at higher or lower pressures allows you to significantly change the boundaries of the temperature ranges indicated above.

На практике средняя температура реагентов и жидкой фазы воды, вводимых в батарею топливных элементов, может быть ниже, чем рабочая температура батареи. Поэтому некоторая степень охлаждения будет обеспечена за счет нагрева этих входящих потоков до рабочей температуры топливной батареи. При достижении входящими потоками рабочей температуры батареи остальное охлаждения будет обеспечиваться вследствие испарения жидкой фазы воды в воздушный поток на катоде. Доля испарительного охлаждения зависит от ряда факторов, включая расход воздуха на катоде, расход воды, мощность батареи топливных элементов и температуру входящих потоков текучих сред. В большинстве случаев испарительное охлаждение является преобладающим механизмом процесса охлаждения, приводящим к высокой эффективности вышеупомянутого косвенного регулирования температуры. Однако, в тех случаях, когда средняя температура входящих потоков текучих сред ниже рабочей температуры топливной батареи, в той зоне батареи, в которую поступают реагенты и жидкая фаза воды, будет существовать температурный перепад.In practice, the average temperature of the reagents and the liquid phase of the water introduced into the battery of the fuel cells may be lower than the operating temperature of the battery. Therefore, some degree of cooling will be achieved by heating these inlet streams to the operating temperature of the fuel battery. When the incoming flows reach the operating temperature of the battery, the rest of the cooling will be ensured due to the evaporation of the liquid phase of water into the air stream at the cathode. The proportion of evaporative cooling depends on a number of factors, including cathode air flow, water flow, fuel cell battery power and temperature of the incoming fluid flows. In most cases, evaporative cooling is the predominant mechanism of the cooling process, leading to the high efficiency of the aforementioned indirect temperature control. However, in cases where the average temperature of the incoming fluid flows is lower than the operating temperature of the fuel battery, a temperature difference will exist in the area of the battery into which the reagents and the liquid phase of the water enter.

Для того чтобы испарительное охлаждение было эффективным, в каждой части батареи топливных элементов должно находиться достаточное количество жидкой фазы воды. В случае недостатка воды энергетическая характеристика батареи будет ухудшаться с потенциально серьезными негативными последствиями.In order for evaporative cooling to be effective, a sufficient amount of the liquid phase of water must be present in each part of the fuel cell stack. In the event of a lack of water, the energy performance of the battery will deteriorate with potentially serious negative consequences.

Возможные проблемы включают в себя следующие: (i) осушение мембраны, приводящее к уменьшению напряжения на соответствующем топливном элементе, (ii) горячие пятна, обусловленные недостатком жидкой фазы воды и, следовательно, недостаточным испарительным охлаждением, приводящим к повреждению мембраны и сокращению срока ее службы.Possible problems include the following: (i) drainage of the membrane, which leads to a decrease in voltage on the corresponding fuel cell, (ii) hot spots caused by the lack of a liquid phase of water and, therefore, insufficient evaporative cooling, which will damage the membrane and shorten its life .

Для обеспечения количества воды, достаточного для испарительного охлаждения, могут быть использованы следующие альтернативные методики: (i) точное дозирование жидкой фазы воды, подводимой к катоду, так, чтобы ее количество было как раз достаточным для поддерживания относительной влажности 100% по всей поверхности катода и в каждом топливном элементе батареи топливных элементов, или (ii) подвод избыточного количества жидкой фазы воды ко всей батарее так, чтобы избыток воды постоянно поддерживался по всей поверхности катода и в каждом топливном элементе батареи топливных элементов. Для обеспечения необходимого подвода жидкой воды к катоду каждая и любая катодная канавка 16 может иметь точки ввода воды, как это будет показано ниже.To provide sufficient water for evaporative cooling, the following alternative methods can be used: (i) accurate dosing of the liquid phase of the water supplied to the cathode, so that its amount is just sufficient to maintain a relative humidity of 100% over the entire surface of the cathode and in each fuel cell of the battery of fuel cells, or (ii) supplying an excess amount of the liquid phase of water to the entire battery so that the excess water is constantly maintained over the entire surface of the cathode and in each fuel om battery cell of the fuel cell. To ensure the necessary supply of liquid water to the cathode, each and any cathode groove 16 may have water entry points, as will be shown below.

В действующих топливных элементах трудно обеспечить точное дозирование жидкой воды к каждому компоненту батареи топливных элементов. Кроме того, допуски изготовления и неоднородность рабочих условий обуславливают различные требования для охлаждения в каждом участке батареи топливных элементов, что усиливает трудности, связанные с необходимостью точного дозирования.In current fuel cells, it is difficult to accurately meter liquid water to each component of a fuel cell stack. In addition, manufacturing tolerances and heterogeneous operating conditions cause different requirements for cooling in each section of the battery of fuel cells, which increases the difficulties associated with the need for accurate dosing.

Поэтому снабжение катода водой с таким избытком, что ее излишек на катоде всегда имеет место на каждом участке внутри батареи, является предпочтительным методом, поскольку позволяет избежать осушения мембраны, появления горячих пятен и приводит к улучшению эксплуатационных характеристик батареи и увеличению срока ее службы.Therefore, supplying the cathode with water with such an excess that its excess at the cathode always takes place in each area inside the battery is the preferred method, since it avoids the drying of the membrane, the appearance of hot spots and leads to improved battery performance and longer battery life.

Итак, согласно одному основному аспекту изобретения подвод избытка жидкой фазы воды к катоду позволяет поддерживать относительную влажность 100% в катоде по существу на всем протяжении проточных канавок для текучей среды.So, according to one main aspect of the invention, supplying the excess liquid phase of water to the cathode allows maintaining a relative humidity of 100% in the cathode over substantially the entire length of the flow grooves for the fluid.

В соответствии с другим аспектом изобретения при функционировании топливного элемента подачу жидкой фазы воды к катоду и/или расход газа через катод для любой измеренной мощности, отводимой от топливного элемента, регулируют таким образом, чтобы на всех участках поверхности катода количество жидкой фазы воды было больше, чем может быть испарено при существующих температуре и давлении.In accordance with another aspect of the invention, when the fuel cell is operating, the supply of the liquid phase of water to the cathode and / or the gas flow through the cathode for any measured power removed from the fuel cell is controlled so that the amount of the liquid phase of water is greater in all sections of the cathode surface, than can be evaporated at existing temperature and pressure.

Согласно еще одному аспекту вышеуказанные условия работы топливного элемента применяют к множеству таких топливных элементов, входящих в состав батареи топливных элементов, имеющей общий коллектор подачи окислителя и общий коллектор ввода воды, так, что для любой измеренной мощности, отводимой от батареи топливных элементов, подачу жидкой фазы воды в коллектор ввода воды и/или расход газа через коллектор подвода окислителя регулируют таким образом, чтобы на всех участках поверхности катода всех топливных элементов количество жидкой фазы воды было больше, чем может быть испарено при существующих температуре и давлении.According to yet another aspect, the above fuel cell operating conditions are applied to a plurality of such fuel cells included in a fuel cell battery having a common oxidizer supply manifold and a common water inlet collector, so that for any measured power removed from the fuel cell battery, a liquid feed the phases of the water into the water inlet collector and / or the gas flow rate through the oxidizer supply manifold are controlled so that the amount of liquid PS was more water than can be evaporated under the existing temperature and pressure.

Для практически используемой батареи, которой присущи реально существующие неоднородности, при нормальных рабочих условиях и величине водяного коэффициента менее единицы следует принимать во внимание, что некоторые элементы батареи могут получать меньшее количество жидкой фазы воды, чем это необходимо для поддерживания на катоде относительной влажности 100%, по существу по всей длине проточных канавок для текучей среды на катоде. Соответственно некоторые элементы батареи могут получать большее количество жидкой фазы воды, чем требуется для поддерживания относительной влажности 100%, по существу на всей длине проточных каналов для текучей среды в катоде. Поэтому согласно другому аспекту изобретения избыток подвода жидкой фазы воды к батарее выбирают таким образом, чтобы все компоненты этой батареи получали, по меньшей мере, минимальное количество жидкой фазы воды, необходимое для поддерживания относительной влажности, равной 100%, по существу на всем протяжении проточных каналов, имеющихся в катоде, что соответствует водяному коэффициенту батареи топливных элементов больше единицы.For a practically used battery, which is characterized by real existing inhomogeneities, under normal operating conditions and a water coefficient of less than unity, it should be taken into account that some battery cells can receive a smaller amount of the liquid phase of water than is necessary to maintain a relative humidity of 100% at the cathode, substantially the entire length of the flow grooves for the fluid at the cathode. Accordingly, some battery cells can receive a larger amount of the liquid phase of water than is required to maintain a relative humidity of 100%, essentially along the entire length of the flow channels for the fluid in the cathode. Therefore, according to another aspect of the invention, the excess supply of the liquid phase of water to the battery is selected so that all the components of this battery receive at least the minimum amount of liquid phase of water necessary to maintain a relative humidity of 100%, essentially along the entire length of the flow channels available in the cathode, which corresponds to the water coefficient of the fuel cell battery is greater than one.

Фиг.12 качественно иллюстрирует изменение напряжения топливной батареи в зависимости от расхода жидкой фазы воды, подводимой к катоду, для типичной батареи топливных элементов, функционирующей с испарительным охлаждением, работающей при постоянной величине тока и постоянном расходе воздуха на катоде. При низких расходах воды полное напряжение батареи уменьшается, свидетельствуя о том, что некоторые элементы батареи возможно не получают достаточного количества жидкой фазы воды для обеспечения соответствующего охлаждения и/или соответствующей гидратации мембраны. С увеличением расхода воды достигается максимальная величина напряжения батареи (показано позицией 120), при этом вода подводится в избытке ко всем составным частям батареи топливных элементов. При более высоких расходах воды напряжение батареи постепенно снижается, возможно, вследствие уменьшения результирующего парциального давления кислорода в воздушном потоке (замещаемого водой) на катоде и/или возможно в результате блокирования переноса газа к мембране или от мембраны за счет наличия воды.12 qualitatively illustrates the variation in the voltage of the fuel battery depending on the flow rate of the liquid phase of the water supplied to the cathode for a typical fuel cell battery operating with evaporative cooling operating at a constant current value and a constant air flow rate at the cathode. At low water flow rates, the total voltage of the battery decreases, indicating that some battery cells may not receive enough liquid phase water to provide adequate cooling and / or adequate hydration of the membrane. With increasing water consumption, the maximum value of the battery voltage is reached (shown at 120), while water is supplied in excess to all components of the fuel cell battery. At higher water flow rates, the battery voltage gradually decreases, possibly due to a decrease in the resulting partial oxygen pressure in the air stream (replaced by water) at the cathode and / or possibly as a result of blocking the transfer of gas to or from the membrane due to the presence of water.

Кроме того, при более высоких расходах воды баланс топливных элементов (как показывает контроль напряжения на топливных элементах) может ухудшаться, показывая тем самым величину верхнего предела максимального водяного коэффициента, который может быть реализован для данной батареи. Помимо того может быть так, что максимальный расход воды определяется максимально достижимой величиной расхода при использовании подходящего водяного насоса.In addition, at higher water flow rates, the balance of fuel cells (as shown by monitoring the voltage on the fuel cells) may deteriorate, thereby showing the value of the upper limit of the maximum water coefficient that can be implemented for a given battery. In addition, it may be that the maximum flow rate is determined by the maximum achievable flow rate using a suitable water pump.

Несмотря на эти ограничивающие факторы было установлено, что может быть выделена большая рабочая область, в пределах которой к катоду могут поступать значительные количества избытка воды, обеспечивая достаточную гидратацию и охлаждение каждой составной части батареи топливных элементов.Despite these limiting factors, it was found that a large working area can be allocated within which significant amounts of excess water can flow to the cathode, providing sufficient hydration and cooling of each component of the fuel cell battery.

Количество воды, подводимой к катоду, полезно представить в виде величины, кратной теоретическому минимальному ее количеству, необходимому для испарительного охлаждения, т.е. тем самым определяется "водяной коэффициент" ВКThe amount of water supplied to the cathode is useful to present as a multiple of the theoretical minimum amount required for evaporative cooling, i.e. thereby determines the "water coefficient" VK

ВК=mw/mw (minimum)VK = m w / m w (minimum)

где mw - массовый расход подводимой жидкой фазы воды, а mw (minimum) - теоретический минимальный расход жидкой фазы воды, вычисляемый в соответствии с методикой, приведенной ниже.where m w is the mass flow rate of the supplied liquid phase of water, and m w (minimum) is the theoretical minimum flow rate of the liquid phase of water, calculated in accordance with the procedure below.

Теоретическое минимальное количество воды, необходимое для испарительного охлаждения, может быть рассчитано путем составления теплового баланса для топливного элемента и, предполагая, чтоThe theoretical minimum amount of water needed for evaporative cooling can be calculated by compiling the heat balance for the fuel cell and assuming that

(i) энтальпия реакции равна низкой теплотворной способности топлива, так как паровая фаза воды производится как продукт (в отсутствии избытка воды);(i) the enthalpy of the reaction is equal to the low calorific value of the fuel, since the vapor phase of the water is produced as a product (in the absence of excess water);

(ii) тепловая нагрузка на топливном элементе определена на основании экспериментальных данных по производительности (выходу реакции) в зависимости от тока топливной батареи;(ii) the thermal load on the fuel cell is determined on the basis of experimental data on productivity (reaction output) depending on the current of the fuel battery;

(iii) тепловая нагрузка равна приросту энтальпии продуктов реакции по отношению к энтальпии исходных реагентов, включая в него полное испарение жидкой фазы воды, подводимой к катоду.(iii) the heat load is equal to the increase in the enthalpy of the reaction products with respect to the enthalpy of the starting reagents, including the complete evaporation of the liquid phase of the water supplied to the cathode.

Следовательно, фактический водяной коэффициент для заданной рабочей точки может быть определен как кратное этой величины.Therefore, the actual water coefficient for a given operating point can be defined as a multiple of this value.

Следует учитывать, что водяной коэффициент может быть получен другими, по сравнению с изложенным выше, методами, при применении которых могут быть получены несколько иные предпочтительные интервалы величины водяного коэффициента, соответствующего данному здесь его определению.It should be borne in mind that the water coefficient can be obtained by other methods compared to those described above, the use of which can give slightly different preferred ranges of the water coefficient corresponding to its definition here.

На фиг.13 схематически показан теоретический минимальный расход жидкой фазы воды в зависимости от тока батареи, т.е. местоположение точек для водяного коэффициента, равного единице, обозначенное на чертеже линией WF=1. При увеличении тока батареи требуемый расход воды возрастает не линейно, т.к. при более высоких величинах тока эффективность работы батареи уменьшается, что обуславливает нелинейное увеличение количества выделяемой теплоты.13 schematically shows the theoretical minimum flow rate of the liquid phase of water depending on the battery current, i.e. the location of the points for the water coefficient equal to unity, indicated in the drawing by the line WF = 1. With increasing battery current, the required water flow increases non-linearly, as at higher currents, the efficiency of the battery decreases, which leads to a nonlinear increase in the amount of heat released.

Как было отмечено выше, неоднородности в батарее и их влияние на расход воды при оптимальной эксплуатационной характеристике (на фиг.12 соответствует области между линиями 121 и 122) диктуют необходимость функционирования реальной батареи топливных элементов, в которой невозможно отдельное дозирование воды внутрь батареи в каждой ее точке, при минимальной величине водяного коэффициента, которая допускает некоторый предел указанных неоднородностей. Другими словами, реализуемый водяной коэффициент должен быть достаточно больше единицы, чтобы обеспечить для всех топливных элементов батареи и всех компонентов каждого топливного элемента относительную влажность, равную 100%. Максимальная величина используемого водяного коэффициента диктуется максимально приемлемым падением эксплуатационных характеристик батареи. Предпочтительные нижний и верхний пределы водяного коэффициента WF в зависимости от тока батареи качественно отображены на фиг.13 пунктирными линиями 130 и 131.As noted above, the inhomogeneities in the battery and their effect on water consumption at optimal performance (in Fig. 12 corresponds to the area between lines 121 and 122) dictate the need for a real fuel cell battery to function, in which it is not possible to separately meter water into the battery in each point, with a minimum value of the water coefficient, which allows a certain limit of these inhomogeneities. In other words, the water coefficient to be realized must be sufficiently greater than one to ensure a relative humidity of 100% for all fuel cells of the battery and all components of each fuel cell. The maximum value of the water coefficient used is dictated by the maximum acceptable drop in battery performance. The preferred lower and upper limits of the water coefficient WF depending on the battery current are qualitatively shown in FIG. 13 by dashed lines 130 and 131.

Верхний и нижний пределы 130 и 131 водяного коэффициента могут быть определены посредством испытаний или тарировки подходящей батареи 30 топливных элементов. Тарировка батареи может быть проведена путем изменения расхода воды, поступающей к катоду, работающему при постоянной величине тока и постоянном стехиометрическом количестве воздуха, с целью определения минимальных расходов воды, показанных линией 121, и максимальных расходов воды, показанных линией 122. Эту тарировку повторяют в интервале возможных токов батареи (и, возможно, в интервале допустимых стехиометрических количеств воздуха), который будет соответствовать обычному интервалу рабочих условий батареи. Таким образом, тарировка устанавливает верхний и нижний пределы водяного коэффициента в зависимости от тока батареи.The upper and lower limits of water coefficient 130 and 131 can be determined by testing or calibrating a suitable fuel cell battery 30. The calibration of the battery can be carried out by changing the flow rate of water entering the cathode operating at a constant current value and a constant stoichiometric amount of air, in order to determine the minimum water flow rate shown by line 121 and the maximum water flow rate shown by line 122. This calibration is repeated in the interval possible battery currents (and possibly in the range of allowable stoichiometric amounts of air), which will correspond to the normal range of battery operating conditions. Thus, the calibration sets the upper and lower limits of the water coefficient depending on the battery current.

Используемый здесь термин "стехиометрическое количество воздуха" означает количество кислорода, поступающее на вход 103, нормализованное по количеству кислорода, потребляемого в электрохимической реакции. Таким образом, при стехиометрическом количестве воздуха, равном 1, весь кислород воздуха соединяется с водородом с образованием воды. При стехиометрическом количестве воздуха, равном 2, в топливном элементе 10 потребляется 50% кислорода и 50% содержится в потоке на выходе 101 из катода. Количество кислорода, необходимое для реакции, находится в прямой зависимости от мощности батареи, к.п.д. батареи и изменения энергии в результате реакционного взаимодействия.As used herein, the term "stoichiometric amount of air" means the amount of oxygen supplied to inlet 103, normalized to the amount of oxygen consumed in the electrochemical reaction. Thus, with a stoichiometric amount of air equal to 1, all the oxygen in the air combines with hydrogen to form water. With a stoichiometric amount of air equal to 2, 50% of oxygen is consumed in the fuel cell 10 and 50% is contained in the stream at the exit 101 from the cathode. The amount of oxygen required for the reaction is directly dependent on the battery power, efficiency batteries and energy changes as a result of reactive interaction.

В условиях массового производства можно также проводить испытание ряда представительных батарей для того, чтобы можно было установить единый ряд допусков с приемлемыми границами погрешностей, которые будут подходящими для всех топливных батарей данной серии.In the context of mass production, it is also possible to test a number of representative batteries so that a single set of tolerances can be established with acceptable margins of error that will be suitable for all fuel batteries in a given series.

В предпочтительном воплощении расход воздуха 103 на катоде регулируют соразмерно току батареи таким образом, что батарея работает со стехиометрическим количеством воздуха, приблизительно равным 2, установленным требованиями электрохимических процессов. На практике, однако, расход воздуха на катоде можно изменять так, чтобы стехиометрическое количество воздуха находилось в интервале от 1,1 до 10 и более предпочтительно в интервале от 1,4 до 4, в зависимости от конкретных требований для данной батареи топливных элементов. При низких токах и, следовательно, низком потреблении реагентов в топливном элементе стехиометрическое количество воздуха может быть значительно выше этих величин, поскольку минимальный расход воздуха ограничен минимальным расходом, обеспечиваемым воздушным компрессором.In a preferred embodiment, the air flow rate 103 at the cathode is controlled in proportion to the current of the battery so that the battery operates with a stoichiometric amount of air of approximately 2 as determined by the requirements of electrochemical processes. In practice, however, the air flow at the cathode can be changed so that the stoichiometric amount of air is in the range from 1.1 to 10, and more preferably in the range from 1.4 to 4, depending on the specific requirements for a given fuel cell battery. At low currents and, consequently, low consumption of reagents in the fuel cell, the stoichiometric amount of air can be significantly higher than these values, since the minimum air flow rate is limited by the minimum flow rate provided by the air compressor.

В предпочтительном воплощении изобретения, как установлено, расход воды является линейной функцией тока батареи, что схематически отражено на фиг.13. Водяной коэффициент для этого метода регулирования обычно изменяется в интервале от 1,5 до 40, более предпочтительно - в интервале от 3 до 6.In a preferred embodiment of the invention, it has been found that the water flow is a linear function of the battery current, which is shown schematically in FIG. The water coefficient for this control method typically ranges from 1.5 to 40, more preferably from 3 to 6.

На практике водяной коэффициент может быть выбран каким-либо в диапазоне от 0 до 40 в зависимости от рабочих условий батареи и допустимого максимального ухудшения характеристик батареи вследствие избытка воды (см. фиг.12). Например, если батарея работает с низкой выходной мощностью или запускается в холодных условиях и, следовательно, не достигает максимальной рабочей температуры, в целях временного увеличения скорости разогрева батареи расход воды может быть установлен с низким значением водяного коэффициента или уменьшен до нуля.In practice, the water coefficient can be selected any in the range from 0 to 40 depending on the operating conditions of the battery and the permissible maximum deterioration of the battery due to excess water (see Fig. 12). For example, if the battery operates at a low output power or starts in cold conditions and, therefore, does not reach the maximum operating temperature, in order to temporarily increase the heating rate of the battery, the water flow rate can be set with a low water coefficient or reduced to zero.

В целях индикации рабочей температуры батареи и осуществления процесса регулирования с обратной связью насоса для подачи воды может проводиться непрерывный контроль выходной температуры на катоде. Таким образом, в одном аспекте данная система может обеспечить временно подачу некоторого количества воды в проточные канавки для текучей среды, имеющиеся внутри катода, так, чтобы поддерживать относительную влажность менее 100% (водяной коэффициент меньше единицы) в том случае, если температура на выходе из катода ниже предварительно заданного порога, соответствующего недостаточно оптимальной рабочей температуре, или в течение предварительно заданного периода времени, следующего за холодным запуском топливного элемента.In order to indicate the operating temperature of the battery and to carry out a feedback control process of the water supply pump, continuous monitoring of the output temperature at the cathode can be carried out. Thus, in one aspect, this system can temporarily supply a certain amount of water to the fluid flow grooves within the cathode so as to maintain a relative humidity of less than 100% (water coefficient less than unity) if the exit temperature is the cathode below a predetermined threshold corresponding to an insufficiently optimal operating temperature, or during a predetermined period of time following the cold start of the fuel cell.

Для регулирования подачи воды могут быть использованы дозирующий насос, блок управления расходом или метод регулирования давления. При низких уровнях мощности необходимое количество воды может быть ниже минимального расхода, который может быть получен с помощью используемого водяного насоса. Поэтому при низких уровнях мощности может быть установлен минимальный расход воды, соответствующий заданному значению минимального напряжения для водяного насоса, чтобы предотвратить срыв насоса. Это схематически показано на фиг.13 для величин тока менее Icrit.A metering pump, a flow control unit, or a pressure control method can be used to control the water supply. At low power levels, the required amount of water may be lower than the minimum flow rate that can be obtained using the water pump used. Therefore, at low power levels, a minimum water flow rate can be set to match the set minimum voltage for the water pump to prevent pump breakdown. This is shown schematically in FIG. 13 for current values less than I crit .

Следует принимать во внимание, что количество воды, подводимой в батарею топливных элементов, может, в принципе, соответствовать какой-либо зависимости от тока, при условии, что величина расхода воды находится в пределах между минимальным и максимальным уровнями водяного коэффициента, определяемого путем тарировки соответствующей батареи топливных элементов или ряда типичных батарей топливных элементов.It should be taken into account that the amount of water supplied to the fuel cell battery can, in principle, correspond to some current dependence, provided that the water flow rate is between the minimum and maximum levels of the water coefficient, determined by calibrating the corresponding fuel cell batteries or a number of typical fuel cell batteries.

Поскольку методика управления величиной водяного коэффициента имеет определенные границы, дополнительная гибкость при осуществлении охлаждения может быть достигнута путем регулирования расхода воздуха на катоде и/или общего давления воздуха на катоде.Since the method of controlling the magnitude of the water coefficient has certain boundaries, additional flexibility in the implementation of cooling can be achieved by controlling the air flow at the cathode and / or the total air pressure at the cathode.

В дополнение к изложенному выше батарея может быть выполнена с возможностью непрерывного контроля напряжения топливных элементов так, что рабочее напряжение служит индикатором недостатка или избытка воды, при этом необходимое регулирование осуществляется в реальном времени.In addition to the above, the battery can be configured to continuously monitor the voltage of the fuel cells so that the operating voltage serves as an indicator of a shortage or excess of water, with the necessary regulation being carried out in real time.

Пример схемы управления водяной системой в батарее топливных элементов раскрыт далее со ссылкой на фиг.14.An example of a control system for a water system in a fuel cell battery is disclosed below with reference to FIG.

Система 140 с топливными элементами включает в себя батарею 30 топливных элементов, снабженную линией 102 подвода топлива, линией 100 отвода от анода, линией 103 подачи воздуха, линией 104 нагнетания воды и линией 101 отвода от катода. Линия подвода топлива проходит от источника 141 топлива, возможно через увлажнитель 142 в соответствии с хорошо известными принципами. Линия 100 отвода от анода может быть соединена непосредственно с окружающей средой 143, или же, по меньшей мере, частично в соответствии с известными принципами может быть осуществлена рециркуляция потока, с использованием для этого контура 144 регулирования рециркуляции. Линия 103 подачи воздуха питается от воздушного компрессора 145. Линия 104 нагнетания воды питается от водяного насоса 146. Вода может подаваться от соответствующего источника очищенной воды или может рециркулировать с выхода катода через подходящий охладитель (не показан). Линия 101 отвода потока от катода может быть направлена в окружающую среду и предпочтительно содержит выходной датчик 147, который измеряет, по меньшей мере, выходную температуру.The fuel cell system 140 includes a fuel cell battery 30 provided with a fuel supply line 102, an anode exhaust line 100, an air supply line 103, a water injection line 104 and a cathode drain line 101. A fuel supply line extends from a fuel source 141, possibly through a humidifier 142 in accordance with well-known principles. The drainage line 100 from the anode can be connected directly to the environment 143, or at least partially in accordance with known principles, the flow can be recycled using the recirculation control circuit 144 for this. The air supply line 103 is supplied by an air compressor 145. The water injection line 104 is supplied by a water pump 146. Water can be supplied from an appropriate source of purified water or can be recycled from the cathode output through a suitable cooler (not shown). A line 101 for diverting the flow from the cathode can be directed into the environment and preferably includes an output sensor 147 that measures at least the output temperature.

К выходу катода может быть подсоединен насос 148 для уменьшения и/или регулирования давления на выходе катода. Насос 148 может быть использован в дополнение к подаче сжатого воздуха от компрессора 145 или вместо нее, т.е. подача воздуха в ином случае может осуществляться и при атмосферном давлении.A pump 148 may be connected to the cathode output to reduce and / or control the pressure at the cathode output. Pump 148 may be used in addition to or instead of providing compressed air from compressor 145, i.e. otherwise, air may also be supplied at atmospheric pressure.

Кроме того, система 140 с топливными элементами содержит блок 150 управления, который предпочтительно получает входные сигналы от датчиков, соответствующие напряжению 151 батареи, току 152 батареи и выходной температуре 153. Блок 150 управления с помощью подходящих линий передачи управляющих сигналов может быть также подключен к воздушному компрессору 145 и насосу 146 для подачи воды.In addition, the fuel cell system 140 comprises a control unit 150 that preferably receives input signals from sensors corresponding to a battery voltage 151, a battery current 152, and an output temperature 153. The control unit 150 may also be connected to the air through appropriate control signal transmission lines. compressor 145 and pump 146 for supplying water.

Блок управления 150 может быть выполнен с возможностью функционирования в двух режимах.The control unit 150 may be configured to operate in two modes.

В первом режиме работы блок 150 управления может быть приспособлен для получения данных тарировки, используемых для последующего функционирования батареи 30 топливных элементов. В режиме тарировки блок 150 управления с помощью насоса 146 изменяет расход воды, которая подводится к батарее в условиях постоянного входного давления воздуха и постоянного отвода тока от батареи топливных элементов, а также принимает измеренные сигналы напряжения батареи для определения по их величине соответствующих минимального и максимального уровней водяных коэффициентов 121 и 122 (фиг.12). Данные измерений величины напряжения сохраняются в тарировочной таблице 154. Тарировка может быть повторена для одной или более различных нагрузок по току, различных входных давлений воздуха и различных стехиометрических количеств воздуха с целью накопления ряда полных всесторонних данных, подходящих для регулирования подачи воды к батарее в области рабочих режимов топливных элементов.In the first mode of operation, the control unit 150 may be adapted to obtain calibration data used for the subsequent operation of the fuel cell battery 30. In calibration mode, the control unit 150, by means of a pump 146, changes the flow rate of water that is supplied to the battery under conditions of constant inlet air pressure and constant current drainage from the battery of fuel cells, and also receives measured voltage signals of the battery to determine the corresponding minimum and maximum levels water coefficients 121 and 122 (Fig. 12). Voltage measurement data is stored in calibration table 154. Calibration can be repeated for one or more different current loads, different air inlet pressures, and different stoichiometric amounts of air in order to accumulate a series of comprehensive comprehensive data suitable for controlling the water supply to the battery in the operating area fuel cell modes.

Во втором рабочем режиме блок 150 управления приспособлен для использования полученных данных тарировки, накопленных в тарировочной таблице 154, с целью поддерживания оптимальных условий функционирования батареи топливных элементов. Например, блок 150 управления приспособлен для непрерывного контроля напряжения и тока батареи и управления насосом 146 подачи воды (и, возможно, воздушным компрессором) для поддерживания соответствующей величины водяного коэффициента при оптимальных эксплуатационных характеристиках топливного элемента. В предпочтительных системах величина водяного коэффициента составляет от 1,5 до 40, более предпочтительно от 3 до 6.In the second operating mode, the control unit 150 is adapted to use the obtained calibration data accumulated in the calibration table 154 in order to maintain optimal operating conditions of the fuel cell battery. For example, the control unit 150 is adapted to continuously monitor the voltage and current of the battery and control the water supply pump 146 (and possibly an air compressor) to maintain an appropriate water coefficient at the optimum fuel cell performance. In preferred systems, the water coefficient is from 1.5 to 40, more preferably from 3 to 6.

Как было отмечено выше, блок управления может также с помощью датчика 147 осуществлять текущий контроль температуры выхода из катода и обеспечивать подачу небольшого количества воды в том случае, когда температура на выходе из катода ниже предварительно выбранного порогового значения, соответствующего недостаточно оптимальной рабочей температуре, например, в процессе запуска топливного элемента. В другом примере регулирование указанной стадии "разогрева" может производиться с помощью реле времени, а не по выходной температуре.As noted above, the control unit can also use a sensor 147 to monitor the temperature of the exit from the cathode and provide a small amount of water when the temperature at the exit of the cathode is below a pre-selected threshold value corresponding to an insufficiently optimal operating temperature, for example, in the process of starting the fuel cell. In another example, the regulation of the specified stage of "warming up" can be done using a time relay, and not according to the output temperature.

В примере осуществления, иллюстрируемом на фиг.14, блок управления приспособлен как для проведения первоначальной тарировки батареи топливных элементов, так и для поддерживания оптимальных текущих условий ее работы. Однако было установлено, что для топливных элементов известного типа или предварительно оттарированных систем тарировочная таблица 154 предварительно может быть загружена данными, полученными при эксплуатации батареи, для использования их в блоке 150 управления потреблением воды.In the embodiment illustrated in FIG. 14, the control unit is adapted both to perform initial calibration of the fuel cell battery and to maintain optimal current operating conditions. However, it was found that for fuel cells of a known type or pre-calibrated systems, the calibration table 154 can be preloaded with data obtained from the operation of the battery for use in the water consumption control unit 150.

Несмотря на то, что пример осуществления изобретения, иллюстрируемый на фиг.14, демонстрирует "глобальное" регулирование батареи 30 топливных элементов с помощью блока 150 управления, следует понимать, что более точное регулирование может быть достигнуто в том случае, когда возможен подвод воды к различным топливным элементам или к различным группам топливных элементов. Например, если в системе имеется большое количество независимо регулируемых мест ввода воды в батарею топливных элементов, то можно отдельно измерять напряжение и ток для того, чтобы производить локальное изменения подачи воды к каждой из частей батареи топливных элементов.Although the embodiment of the invention illustrated in FIG. 14 demonstrates “global” regulation of the fuel cell battery 30 by the control unit 150, it should be understood that more precise regulation can be achieved when water can be supplied to various fuel cells or to various groups of fuel cells. For example, if the system has a large number of independently adjustable places for introducing water into the fuel cell battery, then voltage and current can be separately measured in order to produce local changes in the water supply to each part of the fuel cell battery.

Возможно использование ряда устройств, обеспечивающих подачу строго контролируемого количества жидкой фазы воды в проточные канавки, выполненные в катодных пластинах для распределения потока текучей среды. Такие типичные устройства раскрыты в заявке PCT/GB/02973 (на дату подачи данной заявки не опубликована), и их подробное описание приведено ниже со ссылками на фиг.4-9.It is possible to use a number of devices that supply a strictly controlled amount of the liquid phase of water to the flow grooves made in the cathode plates to distribute the fluid flow. Such typical devices are disclosed in PCT / GB / 02973 (as of the filing date of this application is not published), and their detailed description is given below with reference to figures 4-9.

В соответствии с фиг.4(а) и фиг.4(b) настоящее изобретение предусматривает наличие ряда каналов для подачи воды, проходящих между входным коллектором 25 для воды и отдельными канавками 16, выполненными в пластинах 40а и 40b для распределения потока текучей среды. Вообще говоря, каналы для подачи воды образованы с помощью мембраны или слоистой конструкции, размещенной на поверхности пластины 40 для распределения потока текучей воды. Каналы для подачи воды имеют входные отверстия, сообщающиеся с входным коллектором 25 для воды, и выходные отверстия, которые в пластине для распределения потока текучей среды определяют границы предварительного выбора мест подачи воды в канавки 16.In accordance with FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b), the present invention provides for a series of water supply channels extending between the water inlet manifold 25 and the individual grooves 16 formed in the plates 40a and 40b for distributing the fluid flow. Generally speaking, the water supply channels are formed by a membrane or a layered structure placed on the surface of the plate 40 for distributing the flow of fluid water. The water supply channels have inlet openings in communication with the inlet manifold 25 for water, and outlet openings, which in the plate for distributing the fluid flow define the boundaries of the preliminary selection of the places of water supply to the grooves 16.

В предпочтительном исполнении слоистая структура представляет собой два слоя фольги 41, 42, покрывающие пластину 40, положение которых показано на фиг.4(а) и фиг.4(b) пунктирными линиями.In a preferred embodiment, the layered structure is two layers of foil 41, 42 covering the plate 40, the position of which is shown in figure 4 (a) and figure 4 (b) with dashed lines.

На фиг.4(а) представлен вид в плане пластины 40а для распределения потока текучей среды со змеевидной канавкой 16, покрытой фольгой 41а и фольгой 42а, имеющими первые кромки 43а, 44а, положение которых совпадает с входным коллектором 25 для воды, и вторые кромки 45а, 46а, расположенные в предварительно выбранном месте 49 канавки 16, в котором осуществляется подвод воды, или вблизи этого места.Fig. 4 (a) is a plan view of a fluid distribution plate 40a with a serpentine groove 16 coated with a foil 41a and a foil 42a having first edges 43a, 44a that are aligned with the water inlet manifold 25 and second edges 45a, 46a located at or near a location in a preselected location 49 of the groove 16 in which the water is supplied.

Фиг.4(b) иллюстрирует вид в плане пластины 40b для распределения потока текучей среды, выполненной с двумя встречно-гребенчатыми структурами 47,48 канавок, каждая из которых сообщается с соответствующим коллектором 21, 22. Пластина снабжена фольгой 41b и фольгой 42b, первые кромки 43b, 44b которых совмещены с входным коллектором 25 для воды, а вторые кромки 45b, 46b расположены в предварительно выбранных местах канавки 47, в которых осуществляют подвод воды, или вблизи этих мест подвода. Следует отметить, что указанные две фольги могут быть продублированы на противоположном краю пластины 40b между вторым входным коллектором 25 для воды и предварительно выбранными местами ввода воды на канавке 48.4 (b) illustrates a plan view of a fluid flow distribution plate 40b formed with two counter-comb structures of 47.48 grooves, each of which communicates with a respective manifold 21, 22. The plate is provided with foil 41b and foil 42b, the first edges 43b, 44b of which are aligned with the inlet manifold 25 for water, and second edges 45b, 46b are located at preselected locations of the groove 47 in which the water is supplied, or near these supply points. It should be noted that these two foils can be duplicated on the opposite edge of the plate 40b between the second inlet collector 25 for water and the pre-selected places of water inlet on the groove 48.

На фиг.5 представлен детальный вид сверху конфигурации фольги 41 для распределения воды, иллюстрирующий предпочтительные пути прохождения каналов 50 для подачи воды. Каналы 50 образованы первым рядом канавок 51, которые продолжаются от первой кромки 43 фольги 41, размещенной у входного коллектора 25 для воды, к галерее или небольшому пространству 52, распределяющему воду по давлением и размещенному по длине фольги 41. Распределительная галерея 52 сообщается со вторым рядом канавок 53, которые проходят ко второй кромке 45 фольги для сообщения с канавками 16, выполненными в пластине для распределения текучей среды. Для реализации указанного сообщения второй ряд канавок 53 сгруппирован таким образом, чтобы они заканчивались соответствующими сходящимися конфигурациями 54 на второй кромке 45 фольги 41, служащей для подачи воды.FIG. 5 is a detailed plan view of a configuration of a water distribution foil 41 illustrating preferred paths of water supply channels 50. The channels 50 are formed by the first row of grooves 51, which extend from the first edge 43 of the foil 41, located at the inlet collector 25 for water, to the gallery or a small space 52, which distributes water by pressure and placed along the length of the foil 41. The distribution gallery 52 communicates with the second row grooves 53 that extend to the second edge of the foil 45 to communicate with grooves 16 formed in the fluid distribution plate. To implement this message, the second row of grooves 53 is grouped so that they end with corresponding converging configurations 54 at the second edge 45 of the foil 41 serving to supply water.

В иллюстрируемом предпочтительном воплощении сходящиеся конфигурации 54 канавок заканчиваются в дугообразных выемках 55, вырезанных во второй кромке 45 фольги 41 в местах 49 ввода воды, которые соответствуют предварительно выбранным местоположениям поверх канавок 16, показанных на фиг.5 контурными линиями.In the illustrated preferred embodiment, the converging configurations of the 54 grooves end in arched recesses 55 cut in the second edge 45 of the foil 41 at the water inlet points 49, which correspond to preselected locations on top of the grooves 16 shown in FIG. 5 by contour lines.

Галерея 52 для распределения воды под давлением предпочтительно включает в себя группу сообщающихся канавок 56, которые отводят входящий поток воды от первого ряда канавок 51 и эффективно распределяют его вдоль всей длины фольги 41 так, чтобы в каждую группу второго ряда канавок 53 вода поступала по существу с одинаковым давлением.The pressurized water distribution gallery 52 preferably includes a group of interconnected grooves 56 that divert the incoming water stream from the first row of grooves 51 and efficiently distribute it along the entire length of the foil 41 so that essentially water flows from each group of the second row of grooves 53 the same pressure.

Покрывающая фольга 42, показанная фиг.4(а) и фиг.4(b), представляет собой фольгу без рельефной структуры (т.е. без канавок), имеющую по существу одинаковый внешний профиль с нижней фольгой. Покрывающая фольга 42 выступает за пределы кромки распределительной фольги 41, по меньшей мере, на концах второго ряда канавок, чтобы обеспечить направление воды вниз в необходимую канавку 16 распределительной пластины. Наиболее удобно такое наложение одной фольги на другую достигается с помощью выемки 55, сформированной в распределительной фольге 41, а не в покрывающей фольге 42. Таким образом, как лучше всего видно на увеличенном изображении поперечного сечения на фиг.6, покрывающая фольга 42 образует верхний закрывающий герметизирующий элемент для канавок 51, 52 и 53 с образованием каналов 50 для подачи воды, а концы канавок 51 и 53 остаются открытыми. В представленном воплощении покрывающая фольга 42 может быть выполнена слегка большего размера, чем распределительная фольга 41, так, что она перекрывает вторую кромку 45 (а возможно и первую кромку 43) с получением такого же результата.The coating foil 42 shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) is a foil without a relief structure (i.e., without grooves) having a substantially identical external profile with the bottom foil. The coating foil 42 extends beyond the edges of the distribution foil 41, at least at the ends of the second row of grooves, to ensure that water is directed downward into the desired groove 16 of the distribution plate. Most conveniently, such an overlay of one foil on another is achieved by a recess 55 formed in the distribution foil 41, and not in the cover foil 42. Thus, as best seen in the enlarged cross-sectional image in Fig. 6, the cover foil 42 forms an upper cover a sealing element for grooves 51, 52 and 53 to form channels 50 for supplying water, and the ends of the grooves 51 and 53 remain open. In the present embodiment, the coating foil 42 may be slightly larger than the distribution foil 41 so that it overlaps the second edge 45 (and possibly the first edge 43) to obtain the same result.

Следует отметить, что слои фольги выполнены весьма тонкими по сравнению с толщиной пластины 40 и легко размещаются внутри мембраноэлектронной сборки 34 при наличии какой-либо прокладки, размещенной между пластинами. На фиг.6 для ясности эти элементы показаны с небольшим разделением, хотя в сборе они, конечно, будут прижаты друг к другу.It should be noted that the foil layers are made very thin compared to the thickness of the plate 40 and are easily placed inside the membrane-electronic assembly 34 in the presence of any gasket placed between the plates. 6, for clarity, these elements are shown with a slight separation, although assembled, of course, they will be pressed against each other.

На фиг.7 схематически представлена перспектива водораспределительной фольги 41, размещенной поверх пластины 40 для распределения потока текучей среды, и показано совмещение различных канавок и коллекторов.7 schematically shows the perspective of a water distribution foil 41 placed over a plate 40 for distributing a fluid flow, and shows the combination of various grooves and manifolds.

Следует отметить, что канавки 51, 52 и 53 для распределения воды не обязательно формировать в нижней фольге 41. В другом примере осуществления, показанном на фиг.8, канавки 80 для распределения воды образованы на нижней поверхности верхней фольги 82, в то время как нижняя фольга 81 служит элементом, закрывающим канавки 80 с образованием проточных каналов для подачи воды. Другими словами, распределительная фольга 82 и покрывающая фольга 81 в этом примере исполнения поменялись местами по сравнению с конструктивным выполнением, показанным на фиг.6.It should be noted that the distribution grooves 51, 52 and 53 do not have to be formed in the lower foil 41. In another embodiment shown in FIG. 8, the distribution grooves 80 are formed on the lower surface of the upper foil 82, while the lower foil 81 serves as an element covering grooves 80 to form flow channels for supplying water. In other words, the distribution foil 82 and the covering foil 81 in this embodiment are interchanged in comparison with the embodiment shown in FIG. 6.

В конструктивном выполнении, представленном на фиг.8, по меньшей мере, второй ряд канавок (по сравнению с канавками 53 на фиг.5) не доходит точно до второй кромки 83 верхней фольги, а заканчивается в точках, близких ко второй кромке. Нижняя (покрывающая) фольга 81 будет проходить почти до конца канавок 80, но предпочтительно будет заканчиваться немного раньше этих канавок, чтобы была обеспечена возможность сообщения по текучей среде между концом канавки 80 и канавкой 16 пластины в местах 49 ввода воды.In the embodiment shown in FIG. 8, at least the second row of grooves (compared to grooves 53 in FIG. 5) does not exactly reach the second edge 83 of the upper foil, but ends at points close to the second edge. The lower (covering) foil 81 will extend almost to the end of the grooves 80, but it will preferably end a little earlier than these grooves so that fluid is able to communicate between the end of the groove 80 and the plate groove 16 at the water inlet 49.

Как отмечено выше, нижняя (покрывающая) фольга 81 закрывает канавки 80, образуя преграду, предотвращающую вытекание из них воды в нижележащие канавки 16, имеющиеся в пластине 40 для распределения потока текучей среды, в не предусмотренных местах, например там, где каналы для подачи воды пересекают канавки 16 для протекания топлива и/или окислителя (например, в точке 85).As noted above, the lower (covering) foil 81 closes the grooves 80, forming a barrier to prevent water from flowing out of them into the underlying grooves 16, which are present in the plate 40 for distributing the fluid flow, in places not provided, for example, where water supply channels grooves 16 cross for fuel and / or oxidizer to flow (for example, at point 85).

Предпочтительно, обе описанные выше фольги изготовлены из металла, например из нержавеющей стали. Однако может быть использован любой подходящий металл, имеющий соответствующие свойства для удерживания воды под давлением, и термин "фольга", используемый в тексте описания настоящего изобретения, следует толковать соответствующим образом. Предпочтительно фольги являются электропроводящими, однако, это не является необходимым, поскольку они не проходят в рабочую зону МЭС.Preferably, both of the foils described above are made of metal, for example stainless steel. However, any suitable metal having appropriate properties for holding water under pressure can be used, and the term “foil” used in the text of the description of the present invention should be interpreted accordingly. Preferably, the foils are electrically conductive, however, this is not necessary since they do not extend into the MES working area.

В предпочтительном воплощении канавки 16 для текучей среды в анодных или катодных пластинах 40, как правило, имеют ширину и глубину от 0,4 мм до 1,2 мм. Установлено, что ширина и глубина канавки, вытравленной химически в фольге для распределения воды, составляющая порядка 10 мкм, достаточна для обеспечения подачи воды в необходимом количестве.In a preferred embodiment, the fluid grooves 16 in the anode or cathode plates 40 typically have a width and depth of 0.4 mm to 1.2 mm. It was found that the width and depth of the groove chemically etched in the foil for water distribution, of the order of 10 μm, is sufficient to ensure the supply of water in the required amount.

При практическом использовании давление воды, подводимой через коллектор 25, регулируют для создания значительной разности между давлением подачи воды и давлением газа в канавках 16 для распределения текучей среды, достигая равномерного распределения воды по тысячам каналам, по которым она протекает. В предпочтительном воплощении воду подводят к коллектору при давлении воды по манометру в интервале от 0,5 до 3 бар.In practical use, the pressure of the water supplied through the manifold 25 is adjusted to create a significant difference between the water supply pressure and the gas pressure in the grooves 16 for distributing the fluid, achieving uniform distribution of water across the thousands of channels through which it flows. In a preferred embodiment, water is supplied to the collector at a water pressure according to a pressure gauge in the range of 0.5 to 3 bar.

Преимущество данного подхода к решению поставленной задачи заключается в том, что описанная мембрана для распределения воды имеет крайне малую толщину и легко может быть размещена внутри имеющегося объема в биполярных пластинах или в зонах размещения прокладок.The advantage of this approach to solving the problem lies in the fact that the described membrane for the distribution of water has an extremely small thickness and can easily be placed inside the existing volume in bipolar plates or in the areas of the gaskets.

Точность объемного распределения воды может также достаточно строго регулироваться с помощью подходящей конфигурации каналов и размеров канавок.The accuracy of the volumetric distribution of water can also be quite strictly regulated using a suitable channel configuration and groove size.

Как показано на фиг.9, вода, которая распределяется по канавкам 90 встречно-гребенчатой структуры в пластине 40 для распределения текучей среды, может быть введена или в месте 91 расположения входного участка канавки, за подводящей канавкой 92, или, в качестве альтернативы, в выходной конец 93 канавки, в точке 94, находящийся на том же конце биполярной пластины, где размещен входной водяной коллектор.As shown in FIG. 9, water that is distributed over the grooves 90 of the counter-comb structure in the fluid distribution plate 40 may be introduced either at location 91 of the inlet portion of the groove, behind the supply groove 92, or, alternatively, into the outlet end 93 of the groove, at point 94, located at the same end of the bipolar plate where the inlet water collector is located.

Преимущество подачи воды в выходные участки канавки заключается в уменьшении перепада давления в потоках реагирующих газов. Это обусловлено тем, что вода не проходит через диффузионный материал и не перекрывает объем пор для прохода газа. Кроме того, непрохождение потока воды через диффузионный материал будет также уменьшать истирание этого материала, его постепенное дробление и повреждение конструкции.The advantage of supplying water to the outlet portions of the groove is to reduce the pressure drop in the reactant gas streams. This is due to the fact that water does not pass through the diffusion material and does not overlap the pore volume for gas passage. In addition, the non-passage of water flow through the diffusion material will also reduce the abrasion of this material, its gradual crushing and structural damage.

Процесс испарительного охлаждения эффективно действует в выходных участках канавок, а содержание воды в мембране поддерживается благодаря насыщению воздуха парами воды.The process of evaporative cooling effectively operates in the outlet sections of the grooves, and the water content in the membrane is maintained due to the saturation of air with water vapor.

Следует отметить, что в пределах объема формулы изобретения предусмотрены и другие примеры осуществления изобретения.It should be noted that, within the scope of the claims, other embodiments of the invention are provided.

Claims (22)

1. Способ работы батареи электрохимических топливных элементов, содержащей множество элементов, каждый из которых включает в себя анод, ионообменную мембрану и катод, включающий стадии подачи текучего топлива в проточные канавки для текучей среды, расположенные в анодах, подачи текучего окислителя в проточные канавки для текучей среды, расположенные в катодах, отвода побочных продуктов реакции и неиспользованного окислителя из проточных канавок для текучей среды, находящихся в катодах, определение максимального напряжения батареи или каждого топливного элемента в зависимости от расхода жидкой фазы воды для каждого из множества значений токов батареи или топливного элемента, которые соответствуют нормальной области рабочих условий батареи или топливного элемента, определение тарировочной функции, отражающей зависимость минимального расхода жидкой фазы воды от тока и/или стехиометрического количества воздуха и подачи воды с, по меньшей мере, указанным минимальным расходом жидкой фазы воды, требующимся для тока, отводимого из указанной батареи или каждого топливного элемента, и/или стехиометрического количества воздуха, определенных из тарировочной функции, в проточные канавки для текучей среды, расположенные в катоде, так, чтобы по всей длине проточных канавок для текучей среды поддерживалась относительная влажность 100%.1. The method of operation of a battery of electrochemical fuel cells containing many cells, each of which includes an anode, an ion-exchange membrane and a cathode, comprising the steps of supplying fluid fuel to the flow grooves for the fluid located in the anodes, supplying the flowing oxidizer to the flow grooves of the fluid media located in the cathodes, removal of reaction by-products and unused oxidizing agent from the fluid flow grooves located in the cathodes, determining the maximum battery voltage or each fuel cell, depending on the flow rate of the liquid phase of water for each of the many values of the currents of the battery or fuel cell, which correspond to the normal range of operating conditions of the battery or fuel cell, determining a calibration function that reflects the dependence of the minimum flow rate of the liquid phase of water on current and / or stoichiometric amount air and water supply with at least the specified minimum flow rate of the liquid phase of the water required for the current drawn from the specified battery or each fuel about the element, and / or stoichiometric amount of air, determined from the calibration function, into the fluid flow grooves located in the cathode, so that a relative humidity of 100% is maintained along the entire length of the fluid grooves for the fluid. 2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что дополнительно включает стадию увеличения количества жидкой фазы воды, подводимой в зависимости от величины тока топливного элемента или батареи топливных элементов, для поддержания величины водяного коэффициента WF>1,0 для всех значений тока в пределах области нормальной работы топливного элемента или батареи.2. The method according to claim 1, characterized in that it further includes the step of increasing the amount of the liquid phase of the water supplied depending on the current value of the fuel cell or the fuel cell battery, in order to maintain the water coefficient WF> 1.0 for all current values within areas of normal operation of a fuel cell or battery. 3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что тарировочную функцию определяют для стехиометрического количества воздуха в интервале от 1,1 до 10.3. The method according to claim 1, characterized in that the calibration function is determined for the stoichiometric amount of air in the range from 1.1 to 10. 4. Способ по п.3, характеризующийся тем, что тарировочную функцию определяют для стехиометрического количества воздуха в интервале от 1,4 до 4,0.4. The method according to claim 3, characterized in that the calibration function is determined for the stoichiometric amount of air in the range from 1.4 to 4.0. 5. Способ по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что стадия подачи достаточного количества жидкой фазы воды включает ее подачу при величине водяного коэффициента, по меньшей мере, равной 1,5.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the step of supplying a sufficient amount of the liquid phase of the water comprises supplying it with a water coefficient of at least 1.5. 6. Способ по п.5, характеризующийся тем, что стадия подачи достаточного количества жидкой фазы воды включает ее подачу при величине водяного коэффициента, по меньшей мере, равной 3.6. The method according to claim 5, characterized in that the step of supplying a sufficient amount of the liquid phase of the water comprises supplying it with a water coefficient of at least 3. 7. Способ по п.5 или 6, характеризующийся тем, что стадия подачи достаточного количества жидкой фазы воды включает ее подачу при величине водяного коэффициента менее 40.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the step of supplying a sufficient amount of the liquid phase of the water comprises supplying it with a water coefficient of less than 40. 8. Способ по п.7, характеризующийся тем, что стадия подачи достаточного количества жидкой фазы воды включает ее подачу при величине водяного коэффициента в интервале от 3 до 6.8. The method according to claim 7, characterized in that the stage of supplying a sufficient amount of a liquid phase of water includes its supply with a water coefficient in the range from 3 to 6. 9. Способ по п.1, характеризующийся тем, что включает стадию временной подачи такого количества жидкой фазы воды в проточные канавки для текучей среды, выполненные в катоде, что относительная влажность поддерживается на уровне менее 100%, в том случае, когда температура на выходе из катода ниже предварительно заданной пороговой величины, соответствующей недостаточно оптимальной рабочей температуре.9. The method according to claim 1, characterized in that it includes the step of temporarily supplying such an amount of a liquid phase of water to the flow grooves for the fluid, made in the cathode, so that the relative humidity is maintained at less than 100%, in the case when the outlet temperature from the cathode below a predetermined threshold value corresponding to an insufficiently optimal operating temperature. 10. Способ по п.9, характеризующийся тем, что используется при запуске топливного элемента или батареи топливных элементов.10. The method according to claim 9, characterized in that it is used when starting the fuel cell or battery of fuel cells. 11. Способ по п.1, характеризующийся тем, что топливный элемент функционирует таким образом, что для любой измеренной отводимой мощности подачу жидкой фазы воды к катоду и/или расход газа через катод регулируют так, чтобы во всех зонах поверхности катода жидкой фазы воды было больше, чем может ее испариться при наиболее вероятных условиях по температуре и давлению.11. The method according to claim 1, characterized in that the fuel cell operates in such a way that for any measured output power, the supply of the liquid phase of the water to the cathode and / or the gas flow through the cathode is controlled so that in all areas of the surface of the cathode of the liquid phase of water more than it can evaporate under the most likely conditions of temperature and pressure. 12. Способ по п.11, характеризующийся тем, что используется для множества топливных элементов, входящих в состав батареи топливных элементов, имеющей общий коллектор подачи окислителя и общий коллектор подачи воды, так что для любой измеренной выходной мощности батареи регулируют подачу жидкой фазы воды во входной коллектор для подачи водя и/или расход газа в коллектор подвода окислителя таким образом, чтобы во всех зонах поверхности катодов всех топливных элементов жидкой фазы воды было больше, чем ее может испариться при наиболее вероятных условиях по температуре и давлению.12. The method according to claim 11, characterized in that it is used for a plurality of fuel cells included in a fuel cell battery having a common oxidizer supply manifold and a common water supply collector, so that for any measured output power of the battery, the liquid water phase is adjusted to inlet collector for supplying gas and / or gas flow to the oxidizer supply manifold so that in all zones of the surface of the cathodes of all fuel cells the liquid phase of the water is larger than it can evaporate at the most probable conditions under temperature and pressure. 13. Система с электрохимическими топливными элементами, содержащая батарею топливных элементов, включающую множество топливных элементов, причем каждый топливный элемент содержит анодную пластину для распределения потока текучей среды, в которой выполнены проточные канавки для текучей среды, ионообменную мембрану, катодную пластину для распределения потока текучей среды, в которой выполнены проточные канавки для текучей среды, при этом система дополнительно содержит средства подачи текучего топлива к анодным проточным канавкам для текучей среды, средства подвода текучего окислителя к катодным проточным канавкам для текучей среды, средства подачи воды для подвода достаточного количества жидкой фазы воды в проточные канавки для текучей среды, расположенные в катоде, средство для определения максимального напряжения батареи или каждого топливного элемента в зависимости от расхода жидкой фазы воды для каждого из множества токов батареи или топливного элемента, которые соответствуют нормальной области рабочих условий батареи или топливного элемента, средство для определения тарировочной функции, отражающей зависимость минимального расхода жидкой фазы воды от тока, и/или стехиометрического количества воздуха, и блок управления, выполненный с возможностью управлять средством подачи воды для подачи воды с, по меньшей мере, указанным минимальным расходом жидкой фазы воды, требующимся для тока, отводимого от указанной батареи или каждого топливного элемента, и/или для стехиометрического количества воздуха, определенных из тарировочной функции, так, чтобы по всей длине проточных канавок для текучей среды во время нормальных рабочих условий батареи топливных элементов поддерживалась относительная влажность 100%.13. An electrochemical fuel cell system comprising a fuel cell battery including a plurality of fuel cells, each fuel cell comprising an anode plate for distributing a fluid flow, in which flow grooves for a fluid are provided, an ion-exchange membrane, a cathode plate for distributing a fluid flow in which the flow grooves for the fluid are made, the system further comprising means for supplying fluid fuel to the anode flow grooves for t fluid medium; means for supplying a fluid oxidant to the cathode flow grooves for the fluid; means for supplying water for supplying a sufficient amount of the liquid phase of the water to the flow grooves for the fluid located in the cathode; means for determining the maximum voltage of the battery or each fuel cell depending on the flow rate liquid phase of water for each of the many currents of the battery or fuel cell, which correspond to the normal range of operating conditions of the battery or fuel cell, means for op determining a calibration function that reflects the dependence of the minimum flow rate of the liquid phase of water on the current and / or stoichiometric amount of air, and a control unit configured to control the water supply means for supplying water with at least the minimum flow rate of the liquid phase of water required for current discharged from said battery or each fuel cell, and / or for a stoichiometric amount of air determined from the calibration function, so that along the entire length of the flow grooves for fluid During normal operation, the fuel cell battery was kept at 100% relative humidity. 14. Система по п.13, характеризующаяся тем, что средства подачи воды включают в себя насос и блок управления.14. The system according to item 13, characterized in that the means of water supply include a pump and a control unit. 15. Система по п.14, характеризующаяся тем, что блок управления снабжен датчиком напряжения для измерения напряжения на топливном элементе или батарее топливных элементов.15. The system according to 14, characterized in that the control unit is equipped with a voltage sensor for measuring voltage on the fuel cell or battery of fuel cells. 16. Система по п.15, характеризующаяся тем, что блок управления представляет собой средство для определения максимальной величины напряжения топливного элемента в зависимости от расхода жидкой фазы воды для каждого из множества рабочих значений токов стандартного топливного элемента или батареи топливных элементов.16. The system of clause 15, wherein the control unit is a means for determining the maximum voltage of the fuel cell depending on the flow rate of the liquid phase of water for each of the many operating values of the currents of a standard fuel cell or battery of fuel cells. 17. Система по п.13, характеризующаяся тем, что содержит датчик тока для измерения электрического тока, проходящего через топливный элемент или батарею топливных элементов, и средство для регулирования подачи воды таким образом, чтобы поддерживать расход воды, обеспечивающий величину водяного коэффициента WF>1,0 для всех значений тока топливного элемента или батареи топливных элементов в области режимов их нормальной работы.17. The system according to item 13, characterized in that it contains a current sensor for measuring the electric current passing through the fuel cell or the battery of fuel cells, and means for regulating the water supply in such a way as to maintain the flow rate, providing the value of the water coefficient WF> 1 , 0 for all current values of the fuel cell or fuel cell battery in the region of their normal operation modes. 18. Система по п.17, характеризующаяся тем, что включает средство, выполненное с возможностью регулирования подачи воды с расходом, обеспечивающим величину водяного коэффициента, равную, по меньшей мере, 1,5.18. The system according to 17, characterized in that it includes means made with the possibility of regulating the supply of water with a flow rate that provides a water coefficient equal to at least 1.5. 19. Система по п.18, характеризующаяся тем, что включает средство, выполненное с возможностью регулирования подачи воды с расходом, обеспечивающим величину водяного коэффициента менее 40.19. The system according to p. 18, characterized in that it includes means made with the possibility of regulating the supply of water with a flow rate that provides a water coefficient of less than 40. 20. Система по п.19, характеризующаяся тем, что включает средство, выполненное с возможностью регулирования подачи воды с расходом, обеспечивающим величину водяного коэффициента, равную, по меньшей мере, 3.20. The system according to claim 19, characterized in that it includes means configured to control the water supply at a flow rate that provides a water coefficient of at least 3. 21. Система по п.20, характеризующаяся тем, что включает средство, выполненное с возможностью регулирования подачи воды с расходом, обеспечивающим величину водяного коэффициента в интервале от 3 до 6.21. The system according to claim 20, characterized in that it includes means configured to control the water supply with a flow rate that provides a water coefficient in the range from 3 to 6. 22. Система по любому из пп.13-21, характеризующаяся тем, что дополнительно снабжена средствами для временной подачи в проточные канавки для текучей среды, выполненные в катоде, такого количества жидкой фазы воды, чтобы относительная влажность поддерживалась на уровне менее 100%, в том случае, когда температура на выходе из катода ниже предварительно заданной пороговой величины, соответствующей недостаточно оптимальной рабочей температуре. 22. The system according to any one of paragraphs.13-21, characterized in that it is additionally equipped with means for temporarily supplying to the flow grooves for the fluid, made in the cathode, such an amount of the liquid phase of the water so that the relative humidity is maintained at less than 100%, in the case when the temperature at the exit from the cathode is lower than a predetermined threshold value corresponding to an insufficiently optimal operating temperature.
RU2006127407/09A 2003-12-31 2004-12-31 Water distribution control in fuel cells RU2356133C2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB0330272A GB2409763B (en) 2003-12-31 2003-12-31 Water management in fuel cells
GB0330272.6 2003-12-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006127407A RU2006127407A (en) 2008-02-10
RU2356133C2 true RU2356133C2 (en) 2009-05-20

Family

ID=31503355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006127407/09A RU2356133C2 (en) 2003-12-31 2004-12-31 Water distribution control in fuel cells

Country Status (16)

Country Link
US (2) US8277998B2 (en)
EP (1) EP1719199B1 (en)
JP (1) JP5193467B2 (en)
KR (1) KR101166251B1 (en)
CN (1) CN100502118C (en)
AR (1) AR047358A1 (en)
AT (1) ATE551742T1 (en)
BR (1) BRPI0418263B1 (en)
CA (1) CA2551674C (en)
ES (1) ES2394955T3 (en)
GB (1) GB2409763B (en)
MX (1) MXPA06007516A (en)
NO (1) NO336638B1 (en)
RU (1) RU2356133C2 (en)
WO (1) WO2005064727A2 (en)
ZA (1) ZA200605295B (en)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2382455B (en) * 2001-11-07 2004-10-13 Intelligent Energy Ltd Fuel cell fluid flow field plates
GB2412784B (en) * 2002-01-18 2006-08-23 Intelligent Energy Ltd Fuel cell oxygen removal and pre-conditioning system
GB2390738B (en) * 2002-07-09 2005-05-11 Intelligent Energy Ltd Fuel cell direct water injection
GB2401986B (en) * 2003-05-17 2005-11-09 Intelligent Energy Ltd Improvements in fuel utilisation in electrochemical fuel cells
GB2409763B (en) 2003-12-31 2007-01-17 Intelligent Energy Ltd Water management in fuel cells
GB2413002B (en) * 2004-04-08 2006-12-06 Intelligent Energy Ltd Fuel cell gas distribution
GB2422716B (en) * 2005-01-26 2007-08-22 Intelligent Energy Ltd Multi-layer fuel cell diffuser
GB2434845B (en) * 2006-02-01 2010-10-13 Intelligent Energy Ltd Variable compressibility gaskets
US7943259B1 (en) 2006-12-18 2011-05-17 University Of South Florida Method of controlled delivery for use of electrochemical power source
GB2453127A (en) * 2007-09-26 2009-04-01 Intelligent Energy Ltd Fuel Cell System
GB2453126B (en) 2007-09-26 2013-02-06 Intelligent Energy Ltd Fuel cell system
GB2464946B (en) * 2008-10-30 2012-05-16 Intelligent Energy Ltd Fuel cell cooling
FR2940196B1 (en) 2008-12-22 2010-12-10 Renault Sas DEVICE AND METHOD FOR COOLING A THERMAL MEMBER OF A MOTOR VEHICLE
JP5680760B2 (en) * 2010-10-06 2015-03-04 ユーティーシー パワー コーポレイション Evaporative cooling fuel cell with water passage improved by wick
JPWO2012117525A1 (en) * 2011-03-01 2014-07-07 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
GB2533265B (en) * 2014-12-01 2021-09-15 Intelligent Energy Ltd Fuel cell system
JP6696696B2 (en) * 2017-03-21 2020-05-20 株式会社東芝 Electrochemical reactor
CN109256573B (en) * 2018-10-24 2023-05-26 天津中德应用技术大学 Air flow regulating method and device for proton exchange membrane hydrogen fuel cell stack
WO2020159696A2 (en) 2019-01-29 2020-08-06 Bloom Energy Corporation Fuel cell system containing water injector and method of operating the same
WO2022076450A1 (en) * 2020-10-05 2022-04-14 Alakai Technologies Corporation Health assessment and monitoring system and method for clean fuel electric vehicles
CN114335623A (en) * 2021-12-29 2022-04-12 潍柴动力股份有限公司 Method and device for testing liquid water tolerance of cathode and anode of fuel cell stack

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2533215C3 (en) * 1975-07-25 1980-08-14 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Method for keeping the operating temperature and electrolyte concentration constant in a fuel cell battery designed for raw gas / air operation with a fixed acidic electrolyte
DE3738370C1 (en) 1987-11-12 1989-04-13 Dornier System Gmbh Electrochemical cell with immobile electrolyte
US5935726A (en) * 1997-12-01 1999-08-10 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for distributing water to an ion-exchange membrane in a fuel cell
US6174616B1 (en) * 1998-10-07 2001-01-16 Plug Power Inc. Fuel cell assembly unit for promoting fluid service and design flexibility
JP4200576B2 (en) * 1999-02-23 2008-12-24 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
IT1312198B1 (en) 1999-04-21 2002-04-09 De Nora Spa COOLED FUEL CELL BY DIRECT INJECTION OF AQUALIQUIDA
US6316135B1 (en) 1999-07-22 2001-11-13 International Fuel Cells Llc Direct antifreeze cooled fuel cell
US6376111B1 (en) * 2000-01-25 2002-04-23 General Motors Corporation System and method for controlling the humidity level of a fuel cell
JP2001351655A (en) * 2000-06-05 2001-12-21 Honda Motor Co Ltd Gas supply device for a fuel cell
DE10036916B4 (en) * 2000-07-28 2006-12-21 Truma Gerätetechnik GmbH & Co. KG A fuel cell stack and method of humidifying a reactant in a fuel cell stack
US6485857B2 (en) * 2000-12-29 2002-11-26 Utc Fuel Cells, Llc Fuel cell hybrid flow field humidification zone
US7132179B2 (en) * 2001-03-28 2006-11-07 Ballard Power Systems Inc. Methods and apparatus for improving the cold starting capability of a fuel cell
JP4950386B2 (en) * 2001-04-06 2012-06-13 本田技研工業株式会社 Fuel cell warm-up device
JP4708623B2 (en) * 2001-08-22 2011-06-22 株式会社西部技研 Fuel cell
JP2003068337A (en) 2001-08-24 2003-03-07 Toyota Motor Corp Fuel cell system
GB2382455B (en) 2001-11-07 2004-10-13 Intelligent Energy Ltd Fuel cell fluid flow field plates
US6794077B2 (en) * 2001-12-28 2004-09-21 Utc Fuel Cells, Llc Passive water management fuel cell
GB2412784B (en) 2002-01-18 2006-08-23 Intelligent Energy Ltd Fuel cell oxygen removal and pre-conditioning system
GB2387959C (en) 2002-03-28 2005-02-09 Intelligent Energy Ltd Fuel cell compression assembly
JP4281382B2 (en) 2002-04-19 2009-06-17 ソニー株式会社 Generated water treatment system and power generation device
ITMI20021338A1 (en) * 2002-06-17 2003-12-17 Nuvera Fuel Cells Europ Srl MEMBRANE ELECTROCHEMICAL GENERATOR WITH DIRECT INJECTION OF LIQUID WATER IN GASEOUS AGENTS
JP3760895B2 (en) 2002-07-03 2006-03-29 日本電気株式会社 LIQUID FUEL SUPPLY FUEL CELL, FUEL CELL ELECTRODE, AND METHOD FOR PRODUCING THEM
GB2390738B (en) 2002-07-09 2005-05-11 Intelligent Energy Ltd Fuel cell direct water injection
GB2396688B (en) 2002-11-22 2006-06-28 Intelligent Energy Ltd Thermal energy management in electrochemical fuel cells
GB2401986B (en) 2003-05-17 2005-11-09 Intelligent Energy Ltd Improvements in fuel utilisation in electrochemical fuel cells
GB2409763B (en) 2003-12-31 2007-01-17 Intelligent Energy Ltd Water management in fuel cells
GB2413002B (en) 2004-04-08 2006-12-06 Intelligent Energy Ltd Fuel cell gas distribution
GB2422717B (en) 2005-02-01 2007-11-14 Intelligent Energy Ltd Detachable fuel cell power unit for vehicle applications
GB2434845B (en) 2006-02-01 2010-10-13 Intelligent Energy Ltd Variable compressibility gaskets

Also Published As

Publication number Publication date
US20120321972A1 (en) 2012-12-20
CA2551674C (en) 2012-05-22
NO336638B1 (en) 2015-10-12
GB2409763A (en) 2005-07-06
NO20062957L (en) 2006-07-31
US8277998B2 (en) 2012-10-02
ATE551742T1 (en) 2012-04-15
CN1922749A (en) 2007-02-28
BRPI0418263B1 (en) 2015-09-22
US20080248336A1 (en) 2008-10-09
AR047358A1 (en) 2006-01-18
JP5193467B2 (en) 2013-05-08
US8609288B2 (en) 2013-12-17
GB0330272D0 (en) 2004-02-04
KR101166251B1 (en) 2012-07-17
WO2005064727A3 (en) 2006-05-18
MXPA06007516A (en) 2006-08-31
JP2007517365A (en) 2007-06-28
ZA200605295B (en) 2012-12-27
CN100502118C (en) 2009-06-17
GB2409763B (en) 2007-01-17
KR20060128989A (en) 2006-12-14
EP1719199B1 (en) 2012-03-28
EP1719199A2 (en) 2006-11-08
BRPI0418263A (en) 2007-08-21
ES2394955T3 (en) 2013-02-07
WO2005064727A2 (en) 2005-07-14
RU2006127407A (en) 2008-02-10
CA2551674A1 (en) 2005-07-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2356133C2 (en) Water distribution control in fuel cells
US8029942B2 (en) Fuel cell system with flow field capable of removing liquid water from the high-pressure channels
US7438986B2 (en) Fuel cell system with improved humidification system
US6376110B1 (en) Method for regulating membrane moisture of a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell
US7976991B2 (en) Relative humidity control for a fuel cell
US8399142B2 (en) Relative humidity profile control strategy for high current density stack operation
US6855442B2 (en) Fuel cell and method of operating same
ZA200500297B (en) Fuel cell direct water injetcion
US7335437B2 (en) Fuel cell stack
US6682835B2 (en) Method and apparatus for increasing the operational efficiency of a fuel cell power plant
US7090941B2 (en) Fuel cell stack and a method of supplying reactant gases to the fuel cell stack
ATE274753T1 (en) PEM FUEL CELL STACK WITH COOLING MEDIA DISTRIBUTION STRUCTURE
JP4969040B2 (en) Internal gas controlled fuel cell
JP2007179973A (en) Polymer electrolyte fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170101